UDEC

 

 

UDECUniversal Distinct Element Code是世界范围内第一款采用离散单元法作为基本理论背景进行开发并商业化的高级计算分析程序,离散单元法最早由Peter Cundall在1971年提出理论雏形,特别适用于不连续介质力学特性和受力变形特征的研究,Cundall等人在1980年开始又把这一方法思想拓展到研究颗粒状物质的微破裂、破裂扩展、和颗粒流动问题。目前,UDEC在岩体工程领域得到广泛应用,代表性研究课题涵盖节理岩体和土体的稳定性评价、地下水流动与耦合分析、支护结构模拟和水压致裂研究等。
       与连续力学方法相比,离散元的重要区别是能够同时模拟连续体、和非连续体的力学行为。UDEC将现实地质体、工程结构对象处理为块体的组合,结构面及内部缺陷等不连续特征通过块体边界来表征,而块体受力变形性质则沿袭采用连续介质力学方法进行描述,且支撑选择或兼容刚体和变形体两种方式。在物理介质运动过程中,UDEC采用处于世界前沿的接触算法搜索块体边界接触条件(接触类型、接触变形等)变化并计算接触受力状态,当接触处于屈服状态即形成剪切滑动或张开时,块体发生运动位移(平动、转动)甚至破坏现象。 具体的,UDEC程序对于物理介质的力学描述手段可进一步说明为:

  • —  UDEC以朴素的思想将物理对象视为连续性特征(如岩块)、和非连续性特征(如结构面)两个基本元素的集合统一体,分别以成熟力学定律分别定义这些基本元素的受力变形行为;
  • —  采用凸多边形及其组合来描述物理对象的空间形态;凸多边形可以服从可变形、或刚性受力变形定律,如为可变形体,则采用与FLAC/FLAC3D完全一致的快速拉格朗日方案进行求解,如“网格群模型”。连续性特征对象之间通过边界(非连续性特征)实现相互作用,描述边界的折线段受力变形可以遵从多种荷载——变形力学定律(即接触定律),力学定律可以模拟凸多边形之间在公共边界处相互滑动或脱开行为;
  • —  在特定情形下,如理想地将物理介质看待为几何连续体,此时UDEC可蜕化为FLAC等连续力学描述手段,即只描述连续性对象即可。

       依据以上描述可以认识到,源于UDEC针对连续介质力学行为的描述与模拟基本沿袭了与FLAC近似一致的计算原理(快速拉格朗日求解方法、岩土力学专业技术等),因此FLAC程序拥有的特有技术优势基本为UDEC所继承,典型如对大变形等破坏问题的特别针对性、含有丰富连续介质力学模型、多样化工程支护模拟单元及其内置二次开发平台等。UDECFLAC的根本区别之处则突出体现在由设计意图所决定的方法适用性和针对性存在显著不同,简单来说,UDEC较之FLAC还同时纳入了离散单元法核心理论以实现针对几何非连续介质的力学描述与模拟,特别地,节理网络模拟、接触搜索识别等特别针对非连续介质力学模拟所开发的关键技术均代表了世界前沿水平。因此,UDEC还具有如下独到技术特征:

  • —  离散介质中结构面的模拟,如滑移和张开,程序强调结构面处理能力;
  • —  内置节理网络模拟技术,理论上可满足任意复杂几何非连续特征的模拟;
  • —  接触具有丰富多样化本构定律,用于法/切向受力变形关系的求解,常规模型如弹性、理想弹塑性模型;特色模型包含弹脆性、屈服模型和Barton-Bandis模型等,以反映现实条件下结构面可以具有的复杂形态或力学行为,如结构面起伏形态、起伏剪断、剪胀、强度围压效应等因素的影响;
  • —  拥有基于数学网格和拓扑理论进行接触搜索与识别的专有技术,为计算效率、数值稳定性提供坚实保障。