1. 概述

1.1 软件简介

《地质灾害对露天矿山采场安全稳定性影响效应分析系统》是一款基于多核CPU并行的显式动力学模拟软件。

该软件包含块体及粒子模块，其中块体模块以连续-非连续单元方法（CDEM）为计算核心，利用块体表征材料的连续介质特性，利用块体间的界面表征材料的非连续介质特性，通过块体边界的断裂，实现材料渐进破坏过程的模拟。颗粒模块通过颗粒间连接键的损伤、断裂，可模拟材料从连续到非连续的渐进破坏过程；通过离散颗粒间的接触检测及接触力计算，可模拟散体材料的运动、碰撞及堆积过程。

软件分主要两个部分：灾害体变形破坏分析、灾害体运动过程模拟。其中灾害体变形破坏分析主要用于分析地质体的稳定性，判段地质体是否会变形破坏成为灾害体；灾害体运动过程模拟主要分析灾害体运动过程，分析地质灾害的影响范围。

1.2 软件的特性和功能

 简单易用的图形界面；

 支持多种格式网格文件的导入；

 支持块体、颗粒计算模型；

 支持多路、多核CPU，进行高性能并行计算；

 二次开发功能强大，可直接利用JavaScript进行求解流程的控制；

 计算可暂停，可继续，可强制中断，可回放；

 内置强大的参量时程监测功能，可监测各类物理信息，同时可监测系统统计性指标；

 基于OpenGL的三维图形化输出，可采用鼠标进行平移、缩放、旋转操作，操作快捷流畅。

2. 软件运行环境要求

 操作系统要求：Windows 7 及以上，64 位版本。

 浏览器要求：IE11 及以上。

 硬件要求：CPU 主频2.0GHz 及以上，内存3G 及以上，硬盘10G 及以上。

3. 软件系统界面操作

3.1 界面的总体布局

打开软件，软件会自动跳出如图3.1 所示的欢迎界面。

图3.1 欢迎界面

欢迎界面上有两种问题分析方法的选项：

 第一个：灾害变形体破坏分析。在该选项下，可以单击新建项目，开展灾害变形体破坏分析，主要分析地质体的稳定性；也可以选择打开已有项目，显示之前建立保存的项目基本信息。

 第二个：灾害体运动过程模拟。在该选项下，可以新建项目，主要分析滑坡体灾害发展过程和范围，也可打开对应类型的项目基本信息，重新开始计算。同时，该选项下还包含帮助文档，涵盖整个软件的帮助信息。

3.2 灾害变形破坏模型及参数输入界面

图3.2 灾害变形破坏模型及参数输入界面

界面各功能及参数说明如下：

 基本参数：

 分析位置名称：该输入框需要分析人员输入分析项目的名称，便于保存及查看。

 文件类型：选择导入网格的文件类型，可供选择的类型包括：Patran、Ansys、Flac3D、GiD、ABAQUS、Gmsh、Midas、Genvi。

 块体本构：选择块体计算所需采用的本构模型，可供选择的本构模型包括：线弹性模型、德鲁克-普拉格模型、摩尔-库伦模型、考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb模型。

 界面间本构：选择计算模型界面间的本构模型，可供选择的界面间本构包括：线弹性模型、脆断摩尔-库伦模型、Mohr-Coulomb理想弹塑性模型、软化摩尔-库伦模型、断裂能模型。

 导入文件：单击选择文件，弹出文件选择对话框，可选择模型的文件数据。

 显示模型：单击显示模型，界面将切换到模型界面上，分析人员可直观查看模型几何、网格等状态。

 材料参数：

当导入计算模型后，材料参数栏将出现与导入模型材料种类总数相同的材料表，表格中每种材料点击编辑，将出现如下材料对话框。分析人员可直接从材料库选取材料种类，可保留原来的参数，也可进行修改；也可以自定义材料名称，自定义参数数值，实现所有材料参数的设置。

其中，计算模型可以选择连续模型和非连续模型，连续模型块体间不会断裂，计算速度更快，效率更高；非连续模型块体间将进行破坏判断，计算耗时增多。需要分析人员根据模型特点，选择对应材料网格适合的模型。

图3.3 材料参数输入

 控制参数：

控制参数是计算设置需要选取的单数，主要参数介绍如下：

 界面刚度系数：该参数是衡量界面刚度与块体刚度关系的参数，通常取1-100。

 界面强度系数：该参数是设置界面间强度与块体强度比值的参数，通常小于等于1。

 虚拟时步：该参数是计算设置的时间步长，根据收敛与否及收敛速度快慢调整，通常取0.3-0.5。

 拉伸断裂应变、剪切断裂应变：当界面选用断裂能模型时，需要设置该参数。

 接触容差：接触容差，两个实体的距离小于接触容差，则建立接触。

 云图输出间隔：指定云图结果输出的间隔步数。

 监测输出间隔：指定监测结果输出的间隔步数。

 收敛不平衡率：指定计算结束的收敛不平衡率指标，当收敛不平衡率小于该参数，停止计算。

图3.4 计算控制参数

 监测设置

软件可添加删除监测点，指定监测的内容。当单击添加（监测点），将弹出如下对话框，需要指定监测点的坐标信息，并选取监测的内容，监测内容如下图中所示，可以根据需要选取，实现计算过程中相关参数的选取。计算完成以后，可以点击监测曲线绘制，选择监测结果文件，显示监测曲线。

图3.5 监测信息设置

3.3 灾害体运动过程模拟模型及参数输入界面

图3.6 灾害体运动过程模拟模型及参数输入界面

界面各功能及参数说明如下：

 基本参数：

 分析位置名称：该输入框需要分析人员输入分析项目的名称，便于保存及查看。

 模型类型：可选择导入颗粒模型或导入块体模型；颗粒模型将采用颗粒粒子法计算，块体模型将采用连续非连续块体模型计算。

 文件类型：选择导入网格的文件类型。当采用颗粒模型，其可供选择的文件类型包括：Genvi 、Pdyna、GiD、Genvi；当采用块体模型，其可供选择的文件类型包括：Patran、Ansys、Flac3D、GiD、ABAQUS、Gmsh、Midas、Genvi。

 本构模型：选择计算所采用的（界面间）本构模型，此处颗粒和块体内部默认为线弹性模型。

 导入滑体：选择滑体文件并导入，该文件为颗粒或块体单元网格数据文件，该部分网格作为计算滑体文件。

 显示模型：单击显示模型，界面将切换到模型界面上，分析人员可直观查看模型几何、网格等状态。

 滑床类型：可供选择的滑床类型包括：Genvi、Ansys、GiD。

 导入滑床：选择滑床文件并导入，该文件为刚性边界文件。

 材料参数：

材料参数的赋值类似于灾害变形破坏模型的材料参数，但不需要进行计算模型的设置，软件默认所有颗粒或块体均采用非连续模型计算。

图3.7 材料参数输入

 控制参数：

控制参数是计算设置需要选取的单数，主要控制参数如下图：

图3.8 计算控制参数

 其中界面刚度系数、界面强度系数、接触容差、云图输出间隔、监测输出间隔、收敛不平衡率与灾害变形破坏模型对应参数含义及设置方法相同。

 是否虚拟质量：选定是否采用虚拟质量进行计算。

 时步因子：软件内部自动计算时步，并通过在此定义的时步因子调整时间步长。

 迭代步数：指定破坏分析的计算步数。

 破裂后摩擦角折减系数：对于破坏软化模型，给定界面破裂后摩擦角的折减系数。

 接触搜索模型：指定选取的接触搜索模型。1-九宫格法，2-单格法。

 颗粒是否转动：指定计算时，是否考虑颗粒的转动。可选择计算或不计算颗粒转动。

 重力加速度X/Y/Z：设置重力加速度的方向，当哪个方向设置为-9.8，认为该方向为重力方向。

 监测设置

软件可添加删除监测点，指定监测的内容。

当前面选取颗粒模型，单击添加（监测点），将弹出如下颗粒监测信息对话框，需要指定监测点的坐标信息，并选取监测的内容，监测内容如下图中所示，可以根据需要选取，实现计算过程中相关参数的选取。

图3.9 颗粒监测信息

当前面选取块体模型，单击添加（监测点），将弹出如下颗粒监测信息对话框，需要指定监测点的坐标信息，并选取监测的内容，监测内容如下图中所示，可以根据需要选取，实现计算过程中相关参数的选取。

图3.10 块体监测信息

计算完成以后，可以点击监测曲线绘制，选择监测结果文件，显示监测曲线。

4. 核心计算控制

 点击菜单栏任务→暂停/继续活工具栏可对内核的求解过程进行暂停或继续。

 点击菜单栏任务→跳过或工具栏可跳出正在进行的核心计算阶段，并继续执行该求解阶段之后的JavaScript 脚本。

 点击菜单栏任务→取消任务或工具栏可完全退出正在执行的核心计算。

5. 模型及计算结果查看界面

选择不同的计算模块，导入颗粒或块体，显示框会略有不同，以灾害运动过程模拟导入块体计算为主介绍模型及结果查看。

在显示设置区主要存在以下的内容：

 视图：

包括全视野视图、前视图、顶视图、左视图、正等测视图、斜等测视图。

图3.11 视图界面

 显示控制及色彩：

包括网格显示控制、边界条件显示控制、网格变形显示控制（可调整变形比例，单击后会跳出对话框，默认显示比例为1，即真实位移比例显示）、颗粒缩放（调整颗粒半径大小，单击后跳出对话框，输入半径扩大或缩小比例，默认为1），开挖显示控制、颜色控制显示（包括线性晕染、二次方晕染、轮廓图等）。

图3.12 显示及颜色控制

 类别及网格显示控制：

在此进行网格显示的控制。在显示控制区的组号（）及类别（）控制中，通过选中或取消每个组号或类别左侧的方形按钮，可以让对应组号或类别的模型及结果云图在模型显示区中进行显示或隐藏。

图3.13 类别及控制显示

 问题及结果显示：

当选择为块体模型时，问题栏显示信息如下图：

图3.14 工程问题显示

计算完成以后，主要查看的结果文件包括：

 位移矢量Displace（包含3个分量，Ux、Uy、Uz）；

 速度矢量Velocity（包含3个分量，Vx、Vy、Vz）；

 加速度矢量Acceleration（包含3个分量，Ax、Ay、Az）；

 矢量合量MagValue（包含3个分量，位移合量MagDis、速度合量MagVel、加速度合量MagAcc）；

 应力Stress（包含6个分量，Sx、Sy、Sz、Txy、Tyz、Txz）；

 应变Strain（包含6个分量，ex、ey、ez、gxy、gyz、gxz）；

 主应力PrincipalStress（包含3个分量，最小主应力Min、中间主应力Mid、最大主应力Max）；

 平均应力AverStress（包含2个分量，体应力Bulk、等效剪应力Shear）；

 塑性应变PlasticStrain（包含2个分量，塑性体应变Bulk，等效塑性剪应变Shear）；

 破坏Failure（包含4个分量，破坏类别State、拉伸损伤因子T_D、剪切损伤因子S_D、联合损伤因子C_D）；State标记中0-不坏，1-当前拉坏，2-当前剪坏，4-过去拉坏，8-过去剪坏；损伤因子只有当单元类型为应变软化模型时起作用；

 接触破坏JFailure（包含6个分量，接触状态IfContact、初始破坏类型State_ini，当前破坏类型State_now，拉伸损伤因子T_D、剪切损伤因子S_D、联合损伤因子C_D）；

 色带范围限定：

双击结果列表中每个分量的按钮，将会跳出图8所示的色带范围限定对话框，通过输入限定值，可将云图色带的上下限限制在设定值之内。

图8 色带范围限制对话框

 时程结果选择：

通过点击工具栏左侧后退按钮可实现计算结果的逐个回退显示，点击右侧前进按钮可实现计算结果的逐个前进显示，通过在中间的文本框中输入具体的结果序号，可实现指定序号结果的展示；点击该工具条右下角的倒三角，将会出现进度条，通过拖动此进度条，可实现计算结果的动态回退展示或动态前进展示。

6. 建模注意事项

本软件需要导入网格模型，建模时需注意以下事项：

 灾害变形破坏的模型，模型四周及底面需为平面，模型的重力方向需为Z轴负方向。

 导入各种类型网格需满足以下条件:

1）从Patran 导入时适用的单元类型包括Tria3、Quad4、Tet4、Wedge6 及Hex8，通过File 菜单Export 下的Fromat 中选择Neutral，输出文件名后缀为.out文件，文件名中英文均可。

2）从Ansys 中输出网格需要借助一段命令流文件“AnsysToBlockDyna.txt”，在Ansys 里建立网格（用plane42 或solid45 划分），在File 菜单下选择Read input from，导入AnsysToBlockDyna.txt 文件，在没有修改存放路径的情况下，将在D 盘根目录下出现ansys.dat 文件。

3）从Flac3D 中导入时，组号必需为大于等于1 的自然数，可在Flac3D的命令行中输入expgrid ***.flac3d，然后通过本命令流导入。

4）从GiD 导入，在GiD 菜单FILE—>Export—>ASCII project，将在指定目录下创建*.gid 文件夹，该文件夹中的文本文件*.msh 即为导入时的网格。

5）从ABAQUS 导入，支持的网格格式包括C3D8、C3D8R、C3D6、C3D4、C2D3、S3R、CPS3、CPE3、C2D4、C2D4R、S4R、CPS4、CPS4R、CPE4、CPE4R，导入的是*.inp 文件。

6）从Gmsh 导入，首先利用Gmsh 开源软件进行建模并划分网格，同时分物理组（Physical Surface/Volume），否则将存在点、线、面、体单元全部导出的现象。而后从File 菜单下的Save mesh 选项导出网格。

7）从Midas 导入，首先利用Midas 软件进行建模，而后导出为fpn 格式的文本文件。

8）从Genvi导入，在Genvi平台点击文件---导出，模型文件。

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