3DEC

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3DEC是3 Dimension Distinct Element Code的缩写,即三维离散单元法程序,顾名思义,3DEC是一款基于离散单元法作为基本理论以描述离散介质力学行为的计算分析程序。概括来讲,3DEC程序承袭了UDEC的基本核心思想,本质上是对二维空间离散介质力学描述向三维空间延伸的结果。
物理介质通常呈现非连续即离散特征,这里的离散特征可以现实表现为材料属性、或细观、宏观构造形态意义上的非连续,离散构成本质决定介质亦呈现力学意义上的非连续特征,即离散介质在受力时呈现的变形不连续现象。简单的来讲,所谓的离散介质可以定义为连续介质的集合体,连续介质之间则通过非连续特征发生相互作用。以岩体作为一般性解释示例,具有不同岩性属性的岩块(连续体)和地质结构面(非连续特征)两者构成岩体最基本组成要素,在外力作用下,岩块可以表现为连续介质力学行为,岩块之间则通过结构面(非连续特征)实现相互作用,当结构面受力超过其承载极限时,岩块即表现为相互剪切错动、或脱开等现实破坏现象。
与有限元技术、FALC/FALC3D等通用连续力学方法不同地,属于非连续力学方法范畴的3DEC程序以介质的离散构成特征作为基本出发点,利用非连续介质力学来描述其力学行为,即采用最为朴素的力学方法分别描述介质内的连续性特征和非连续性特征,如将岩体的两个基本组成对象——岩块和地质结构面分别以连续力学定律和接触定律加以描述,其中接触(结构面)是连续体(岩块)的边界,单个的连续体在进行力学求解过程中可以被处理成独立对象并通过接触与其他连续介质受力变形求解方法完全遵从FLAC/FLAC3D快速拉格朗日定律(请参考FLAC/FLAC3D程序概况了解详情)。
计算原理的先后沿承关系决定了3DEC程序就物理介质对象的力学分析方法总体遵从UDEC程序基本思想,但不否认二者在具体技术处理环节上各具特色,从应用方法选择角度出发,有必要洞悉、理解方法意义上的异同点:
  • 与UDEC程序一致地,3DEC以朴素的思想看待介质离散构成特征,将其视为连续性特征(如岩块)、和非连续性特征(如结构面)两个基本单元的集合统一体,并以成熟力学定律分别定义这些基本元素的受力变形行为;
  • 3DEC采用凸多面体来描述介质中连续性对象元素(如岩块)的空间形态,并通过若干凸多面体组合表达现实存在的凹形连续性对象,此外,非连续性特征(如结构面)则以曲面(三角网)加以表征;
  • 表征连续性特征对象的凸多面体可以服从可变形、或刚醒受力变形定律,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。连续性特征对象之间通过边界(非连续特征)实现相互作用,描述边界曲面受力变形可遵从多种荷载——变形力学定律(即接触定律),力学定律可以模拟凸多面体之间在公共边界处相互滑动或脱开行为;
  • 在特定条件下,3DEC程序亦可蜕化为UDEC程序,尽管3DEC的开发初衷是描述三维空间离散介质的力学行为,但程序同样具备二维空间即平面分析能力,如3DEC同时提供平面应力、平面应变分析解决手段。
尽管连续力学方法中也可以处理一些非连续特征,比如有限元中的节理单元和FLAC/FLAC3D中的Interface(界面),但包含了节理单元和界面单元的这些连续介质力学方法与3DEC技术存在理论上的本质差别,具体可参阅UDEC概述内容。如将介质理想地看待为完全连续体,此时3DEC程序可蜕化为FLAC/FLAC3D等连续力学方法,只描述连续性对象即可,即3DEC程序可以选择在连续介质力学、与非连续介质力学分析功能两者之间切换,表现出强大通用程序特征。