UDEC是Universal Distinct Element Code的所寫,即通用離散單元法程序,顧名思義,UDEC是一款基于離散單元法理論的一款計算分析程序。離散單元法由Peter Cundall在1971年提出理論雛形,意圖是在二維空間描述離散介質(zhì)的力學行為,Cundall等人在1980年開始又把這一方法思想拓展到研究顆粒狀物質(zhì)的微破裂、破裂擴展、和顆粒流動問題。
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物理介質(zhì)通常均呈現(xiàn)不連續(xù)特征,這里的不連續(xù)性可以表現(xiàn)為材料屬性的不連續(xù)、或空間結(jié)構(構造)上的不連續(xù)。以巖體為例,具有不同巖性屬性的巖塊(連續(xù)體)和結(jié)構面(非連續(xù)特征)構成巖體基本的兩個組成要素,與有限元技術、FLAC/FLAC3D等通用連續(xù)力學方法相比較,屬于非連續(xù)力學方法范疇的UDEC程序基于離散的角度來對待物理介質(zhì),以樸素的思想分別描述介質(zhì)內(nèi)的連續(xù)性元素和非連續(xù)性元素,如將巖體的兩個基本組成對象—巖塊和結(jié)構面分別以連續(xù)力學定律和接觸定律加以描述,其中接觸(結(jié)構面)是連續(xù)體(巖塊)的邊界,單個的連續(xù)體在進行力學求解過程中可以被處理成獨立對象并通過接觸與其他連續(xù)體發(fā)生相互作用,其中連續(xù)體可具有可變形、或剛性受力變形特征。具體到具備可變形能力的單個連續(xù)體分析環(huán)節(jié)而言,介質(zhì)受力變形求解方法完全遵從FLAC/FLAC3D快速拉格朗日定律。具體的,UDEC程序?qū)τ谖锢斫橘|(zhì)的力學描述手段可以通俗說明為:
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宏觀物理介質(zhì)絕非理論意義上的連續(xù)體(如,巖體=巖塊+結(jié)構面),UDEC以樸素的思想遵循這一自然規(guī)律,將其視為連續(xù)性特征(如巖塊)、和非連續(xù)特征(如結(jié)構面)兩個基本元素的集合統(tǒng)一體,并以成熟力學定律分別定義這些基本元素的受力變形行為;
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UDEC采用凸多邊形來描述介質(zhì)中連續(xù)性對象元素(如巖塊)的空間形態(tài),并通過若干凸多邊形組合表達現(xiàn)實存在的凹形連續(xù)性對象,此外,非連續(xù)性特征(如結(jié)構面)則以折線段加以表征;
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表征連續(xù)性特征對象的凸多邊形可以服從可變形、或剛性受力變形定律,如為可變形體,則采用與FLAC/FLAC3D完全一致的快速拉格朗日方案進行求解,如“網(wǎng)格群模型”。連續(xù)性特征對象之間通過邊界(非連續(xù)特征)實現(xiàn)相互作用,描述邊界的折線段受力變形可遵從多種荷載—變形力學定律(即接觸定律),力學定律可以模擬凸多邊形之間在公共邊界處相互滑動或脫開行為;
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在某些極端情形下,如理想地將物理介質(zhì)看待為完全連續(xù)體,此時UDEC程序可蛻化為FLAC/FLAC3D等連續(xù)力學描述手段,只描述連續(xù)性對象即可。
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盡管連續(xù)力學方法中也可以處理一些非連續(xù)特征,比如有限元中的節(jié)理單元和FLAC中的Interface(界面),但包含了節(jié)理單元和界面單元的這些連續(xù)介質(zhì)力學方法與UDEC技術存在質(zhì)的差別,這種本質(zhì)差別主要體現(xiàn)在:
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UDEC方法為具有復雜接觸力學行為的運動機制描述和分析精度提供基本技術保障。介質(zhì)體內(nèi)的接觸行為主要取決于連續(xù)性對象(塊體)的運動狀態(tài),現(xiàn)實中的塊體運動狀態(tài)可以非常復雜,以沖擊碰撞問題為例,復雜運動狀態(tài)(反復接觸、脫開)時刻調(diào)整塊體間相對位置,并致使塊體邊界接觸方式可以多樣化,如平面離散元中邊界的接觸方式有邊—邊接觸、邊—點接觸、或點—點接觸,接觸方法的不同決定了塊體邊界上受力狀態(tài)和傳遞方式的差別,UDEC方法在計算過程中不斷判斷和更新塊體接觸狀態(tài),并根據(jù)這些接觸狀態(tài)判斷塊體之間的荷載傳遞方式、為接觸選擇對應力學定律,有效避免計算結(jié)果失真;
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復雜模型內(nèi)部的接觸非常多,如果按傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學接觸搜索方法在計算過程中先接觸關系和進行相應的力學計算確定接觸荷載狀態(tài),然后再把這種荷載作為塊體的邊界條件進行塊體的連續(xù)力學計算,整過計算過程可能會非常沉長而缺乏現(xiàn)實可行性,為此,Peter Cundall基于數(shù)學網(wǎng)格和拓撲理論為UDEC程序設計了接觸搜索和接觸方式狀態(tài)判別優(yōu)化方法,考慮了不同類型問題的求解需要,極大程度地提高了計算效率和穩(wěn)定性。
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UDEC程序應用領域
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離散單元法處理介質(zhì)對象的樸素描述方法決定了UDEC程序可以滿足工程行業(yè)范圍內(nèi)廣泛地常規(guī)、超常規(guī)工程問題解決需求。源于對拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承,UDEC必然具備連續(xù)介質(zhì)力學范疇內(nèi)的普遍性分析能力,而離散單元法的核心思想更是賦予UDEC在處理非連續(xù)介質(zhì)環(huán)節(jié)上的本質(zhì)優(yōu)勢,特別適合于固體介質(zhì)在荷載(力荷載、流體、溫度等)作用下靜、動態(tài)響應問題的分析,如介質(zhì)運動、大變形、或破壞行為甚至是破壞過程研究。即便UDEC程序的開發(fā)初衷旨在滿足節(jié)理巖體的研究需求,并具有大量巖土工程相關行業(yè)內(nèi)成功應用歷史,但離散單元法理論本身并不限于特定工程行業(yè),從本質(zhì)層次上描述固體介質(zhì)物理組成結(jié)構、力學特征的理論優(yōu)勢更是逐漸將UDEC程序拓展到其他非巖土工程領域,概括地,UDEC程序部分應用領域可以簡述為:
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巖土工程:基本涵蓋FLAC程序全部應用行業(yè),但本質(zhì)上較之FLAC更有解決優(yōu)勢。主要集中在介質(zhì)的變形、漸進破壞問題上,例如大型高邊坡穩(wěn)定變形機理、深埋地下工程圍巖破壞、礦山崩落開采等。伴隨分析功能的逐漸豐富,UDEC更是成為復雜行業(yè)問題研究的首選工具,如巖體結(jié)構滲透特征(裂隙流)、動力穩(wěn)定性、爆破作用下介質(zhì)破裂擴展、沖擊地壓、巖體強度尺寸/時間效應和多場耦合(水—溫度—力耦合)等問題;
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地質(zhì)工程:地質(zhì)構造運動過程、斷裂過程、水文地質(zhì)等;
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地震工程:板塊運動、地震工程與工程振動
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建筑/結(jié)構工程:建筑結(jié)構動力穩(wěn)定、建筑材料力學特征研究(如混凝土變形、強度特征);
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軍事工程:武器系統(tǒng)與發(fā)射工程,如彈道運動軌跡優(yōu)化、炮彈爆炸作用對目標物的破壞過程研究等;
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過程工程:農(nóng)業(yè)、冶煉、制造、醫(yī)藥行業(yè)的散體物質(zhì)(皮帶)傳送、篩選、和分裝,如農(nóng)業(yè)中土豆按大小的機械化分選和分裝、冶煉行業(yè)中按級配向高爐運送過程中的自動配料研究等。
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UDEC是一款高端產(chǎn)品,特別適合復雜機理性問題研究,但應用難度往往也較大,對用戶要求相對較高。為促進用戶取得突破性高水平成果,ITASCA中國公司向國內(nèi)用戶提供各種層次的培訓,包括針對具體工程問題在ITASCA公司的長期培訓