通用离散元用户指导
（U D E C 3.1）
北京科技大学
2004.9
目 录
1 引 言 ............................................................ 1 1.1 总 论 ........................................................... 1 1.2 与其他方法的比较 ................................................ 2 1.3 一般特性 ........................................................ 2 1.4 应用领域 ........................................................ 3 2 开始启动........................................................... 4 2.1 安装和启动程序 .................................................. 4 2.1.7 内存赋值 .................................................... 4 2.1.9 运行UDEC .................................................... 5 2.1.10 安装测试程序 ............................................... 5 2.2 简单演示－通用命令的应用 ......................................... 5 2.3 概念与术语 ...................................................... 6 2.4 UDEC模型：初始块体的划分 ........................................ 8 2.5 命令语法 ........................................................ 9 2.6 UDEC应用基础 .................................................... 10 2.6.1 块体划分 .................................................... 10 2.6.2 指定材料模型 ................................................ 16 2.6.2.1 块体模型 ................................................ 16 2.6.2.2 节理模型 ................................................ 17 2.6.3 施加边界条件和初始条件 ....................................... 19 2.6.4 迭代为初始平衡 .............................................. 21 2.6.5 进行改变和分析 .............................................. 24 2.6.6 保存或恢复计算状态 ........................................... 25 2.6.7 简单分析的总结 .............................................. 25 2.8 系统单位 ........................................................ 26 3 用UDEC求解问题 .................................................... 27 3.1 一般性研究 ...................................................... 27 3.1.1 第1步：定义分析模型的对象 ................................... 28 3.1.2 第2步：产生物理系统的概念图形 ............................... 28 3.1.3 第3步：建造和运行简单的理想模型 ............................. 28 3.1.4 第4步：综合特定问题的数据 ................................... 29 3.1.5 第5步：准备一系列详细的运行模型 ............................. 29 3.1.6 第6步：进行模型计算 ......................................... 29
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3.1.7 第7步：提供结果和解释 ....................................... 30 3.2 产生模型 ....................................................... 30 3.2.1 确定UDEC模型合适的计算范围 .................................. 30 3.2.2 产生节理 .................................................... 32
3.2.2.1 统计节理组生成器 ....................................... 32 3.2.2.2 VORONOI多边形生成器 ................................... 34 3.2.2.3 例子 .................................................. 34 3.2.3 产生内部边界形状............................................. 35 3.3 变形块体和刚体的选择 ............................................ 38 3.4 边界条件 ....................................................... 42 3.4.1 应力边界 .................................................... 42
3.4.1.1 施加应力梯度 ........................................... 43 3.4.1.2 改变边界应力 ........................................... 44 3.4.1.3 打印和绘图 ............................................ 44 3.4.1.4 提示和建议 ............................................ 45 3.4.2 位移边界 .................................................... 46 3.4.3 真实边界－选择合理类型 ....................................... 46 3.4.4 人工边界 .................................................... 46
3.4.4.1 对称轴 ................................................ 46 3.4.4.2 截取边界 .............................................. 46 3.4.4.3 边界元边界 ............................................ 49
3.5 初始条件 ....................................................... 50 3.5.1 在均匀介质中的均匀应力：无重力 ............................... 50 3.5.2 无节理介质中具有梯度变化的应力：均匀材料 ...................... 51 3.5.3 无节理介质中具有梯度变化的应力：非均匀材料 .................... 51 3.5.4 具有非均匀单元的密实模型 ..................................... 52 3.5.5 随模型变化的初始应力 ......................................... 53 3.5.6 节理化介质的应力............................................. 54 3.5.7 绘制应力等值线图............................................. 55 3.6 加载与施工模拟 ................................................. 57 3.7 选择本构模型 ................................................... 62 3.7.1 变形块体材料模型............................................. 63 3.7.2 节理材料模型 ................................................ 64 3.7.3 合理模型的选择 .............................................. 65 3.8 材料性质 ....................................................... 71
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3.8.1 岩块性质 .................................................... 71
3.8.1.1 质量密度 .............................................. 71 3.8.1.2 基本变形性质 ........................................... 71 3.8.1.3 基本强度性质 ........................................... 72 3.8.1.4 峰后效应 .............................................. 73 3.8.1.5 现场性质参数的外延 ..................................... 77 3.8.2 节理性质 .................................................... 80 3.9 提示和建议 ..................................................... 81 3.9.1 节理几何形状的选择 ........................................... 81 3.9.2 设计模型 .................................................... 81 3.9.3 检查模型运行时间............................................. 82 3.9.4 对允许时间的影响............................................. 82 3.9.5 单元密度的考虑 .............................................. 83 3.9.6 检查模型响应 ................................................ 83 3.9.7 检查块体接触 ................................................ 83 3.9.8 应用体积模量和剪切模量 ....................................... 83 3.9.9 选择阻尼 .................................................... 84 3.9.10 给块体和节理模型指定模型和赋值 .............................. 84 3.9.11 避免圆角误差 ............................................... 85 3.9.12 接触嵌入 ................................................... 85 3.9.13 非联结块体 ................................................. 86 3.9.14 初始化变量 ................................................. 86 3.9.15 确定坍塌荷载 ............................................... 86 3.9.16 确定安全系数 ............................................... 86 3.10 解 释 ......................................................... 88 3.10.1 不平衡力 ................................................... 88 3.10.2 块体/网格结点的速度 ......................................... 88 3.10.3 块体破坏的塑性指标 .......................................... 89 3.11 模拟方法 ...................................................... 89 3.11.1 有限数据系统模拟 ............................................ 89 3.11.2 混沌系统的模拟 ............................................. 90 3.11.3 局部化、物理的不稳定性和应力路径 ............................ 91
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1 引 言
1.1 总 论
通用离散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）是一个处理不连续介质的二维离散元程序。UDEC用于模拟非连续介质（如岩体中的节理裂隙等）承受静载或动载作用下的响应。非连续介质是通过离散的块体集合体加以表示。不连续面处理为块体间的边界面，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的“应力－应变”准则，表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力－位移”的关系控制。在UDEC中，为完整块体和不连续面开发了几种材料特性模型，用来模拟不连续地质界面可能显现的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模拟块体系统的变形和大位移。
UDEC包含了功能强大的程序语言FISH函数。借助于FISH函数，用户可以编写自己的功能函数，扩展UDEC的应用功能。FISH函数为简化分析，适应特殊要求的UDEC的用户，提供了一个强有力的工具。
UDEC采用的离散单元法理论由Cundall（1971）首次提出，至今已经过了20多年的发展。在1985年，Cundall博士和Itasca公司在IBM系列兼容微机上开发了UDEC工程计算应用程序。该软件为建立数以千块模型的高速计算而设计。基于浮点运算速度的优势和低成本的内置RAM，用UDEC程序可大大地提高了计算大规模问题的能力。例如，在具有4MB RAM的微机上，UDEC能够求解2500个刚体（或1000个具有8个自由度变形体）的模型。该模型的求解速度大约为每分钟200次。在RAM确定的情况下，其计算速度是与模型的块体数量成线性关系。
对于典型的模型，约1500个刚体（或500个变形体）或更少，在UDEC中采用的显式解法，大约需要2000～4000计算步可以获得问题的解。例如，一个500个变形块体的模型，计算4000步大约需要6 min。因此，典型的工程问题用UDEC计算仅需几十分钟或几个小时。
UDEC是一个命令驱动（而不是菜单驱动）的计算程序。尽管菜单驱动程序易于初次学习，但在UDEC中所提供的命令驱动结构具有如下优点：
1、输入的“语言”是基于可识别的文字命令，使你易于识别每一个命令的作用（例如BOUNDARY命令，是指施加模型的边界条件）。
2、工程模拟通常是按照系列施工顺序构成 ―― 即，构造原岩应力，施加作用的荷载、开挖隧道、安装支护等。一系列（从文件或键盘上）输入命令完全对应于实际的施工顺序。
3、根据文本编辑器，很容易对UDEC数据文件进行编辑和修改。几个数据文件能
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