Itasca Consulting Group, Inc. UDEC 结构分析

UDEC是Universal Distinct Element Code的所写，即通用离散单元法程序，顾名思义，UDEC是一款基于离散单元法理论的一款计算分析程序。离散单元法最早由Peter Cundall在1971年提出理论雏形，最初意图是在二维空间描述离散介质的力学行为，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。 物理介质通常均呈现不连续特征，这里的不连续性可以表现为材料属性的不连续、或空间结构（构造）上的不连续。以岩体为例，具有不同岩性属性的岩块（连续体）和结构面（非连续特征）构成岩体最基本的两个组成要素，与有限元技术、FLAC/FLAC3D等通用连续力学方法相比较，属于非连续力学方法范畴的UDEC程序基于离散的角度来对待物理介质，以最为朴素的思想分别描述介质内的连续性元素和非连续性元素，如将岩体的两个基本组成对象—岩块和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体发生相互作用，其中连续体可具有可变形、或刚性受力变形特征。具体到具备可变形能力的单个连续体分析环节而言，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）。具体的，UDEC程序对于物理介质的力学描述手段可以通俗说明为：

⒈宏观物理介质绝非理论意义上的连续体（如，岩体=岩块+结构面），UDEC以朴素的思想遵循这一自然规律，将其视为连续性特征（如岩块）、和非连续特征（如结构面）两个基本元素的集合统一体，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；

⒉UDEC采用凸多边形来描述介质中连续性对象元素（如岩块）的空间形态，并通过若干凸多边形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）则以折线段加以表征；

⒊表征连续性特征对象的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（非连续特征）实现相互作用，描述边界的折线段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边形之间在公共边界处相互滑动或脱开行为；

⒋在某些极端情形下，如理想地将物理介质看待为完全连续体，此时UDEC程序可蜕化为FLAC/FLAC3D等连续力学描述手段，只描述连续性对象即可。

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UDEC技术存在质的差别，这种本质差别主要体现在：

⒈UDEC方法为具有复杂接触力学行为的运动机制描述和分析精度提供基本技术保障。介质体内的接触行为主要取决于连续性对象（块体）的运动状态，现实中的块体运动状态可以非常复杂，以冲击碰撞问题为例，复杂运动状态（反复接触、脱开）时刻调整块体间相对位置，并致使块体边界接触方式可以多样化，如平面离散元中边界的接触方式有边—边接触、边—点接触、或点—点接触，接触方法的不同决定了块体边界上受力状态和传递方式的差别，UDEC方法在计算过程中不断判断和更新块体接触状态，并根据这些接触状态判断块体之间的荷载传递方式、为接触选择对应力学定律，有效避免计算结果失真；

⒉复杂模型内部的接触非常多，如果按传统的连续介质力学接触搜索方法在计算过程中先接触关系和进行相应的力学计算确定接触荷载状态，然后再把这种荷载作为块体的边界条件进行块体的连续力学计算，整过计算过程可能会非常沉长而缺乏现实可行性，为此，Peter Cundall基于数学网格和拓扑理论为UDEC程序设计了接触搜索和接触方式状态判别优化方法，考虑了不同类型问题的求解需要，极大程度地提高了计算效率和稳定性。

UDEC（通用不同元素代码）是一种数值模拟代码，用于对土壤，岩石和结构支撑进行二维高级岩土工程分析。 UDEC模拟不连续介质（例如节理岩石）的响应，该介质受静态或动态载荷的影响。UDEC是一种不连续代码，它模拟对包含多个交叉连接结构的岩石介质的加载的准静态或动态响应。因为它不限于特定类型的问题或初始条件，所以UDEC可以应用于需要理解这种结构的二维响应的任何情况。

UDEC提供刚性或可变形块，多种材料模型，全动态能力和高分辨率图形，以加快建模过程。解决方案参数可由用户指定，从而最大化用户对模型运行的持续时间，范围和效率的控制。用户可以通过其他控制和自定义进行操作

UDEC强大的内置编程

UDEC软件特点

> 离散介质中沿结构面的大变形模拟(滑移和张开)；

> 显式求解(中心差分)方案为不稳定物理过程提供稳定解；

> 离散介质通过圆角化块体集合体表达，离散块体可处理 为变形体/刚体；

> 离散块体具有丰富的材料模型，如弹性、理想弹塑性、遍布节理、双屈服和应变软化等；

> 非连续结构面法向/切向力-位移关系可服从多种本构定律，如常规的弹性、理想弹塑性、弹脆性，甚至是Barton-Bandis模型；

> 强大的求解程序包：温度、裂隙流、动力计算，以及复杂温度-力耦合、流-固耦合；

> 根据功能平衡关系，可准确求解系统能量及其变化，如动能、摩擦功、塑性功、远场做工，及能量释放率等；

> 丰富的结构单元类型库，可灵活实现结构-岩土相互作用，特别适用于支护结构与岩土体非协调变形问题，包括梁、桩、锚杆/锚索、土钉、支撑、衬砌单元等；

> 内置多种工程对象模型生成器，如复杂边坡、隧洞，具有强大的交互操作功能；

> 内置程序编译工具FISH语言，用于程序配置、模型控制、自定义功能定义、结果后处理等，为高级用户提高了强大的用户干预手段，极大提高工作效率；

> 强大的结构单元类型库满足广泛结构—岩土体相互作用的模拟，如锚索/杆、梁和衬砌单元，结构单元与岩土体之间具有非协调变形特点；

> 自版本V4.0后，UDEC程序为用户开发开发了单/双精度、64位版本，以保证计算精度及提高计算效率；

> 基于孔隙压力梯度的有应力计算模式3DEC具有广泛岩土工程领域分析功能模块，动力分析、蠕变分析、温度分析、节理网络流动分析等模块专为特定分析目的而定制，特别地，温度—节理网络流—应力可实现相互完全耦合。

功能强大:作为一款岩土工程数值分析首选工具，UDEC所具有的突出优势是能为物理不稳定问题提供稳定解。基于离散单元法理论特点，UDEC特别适用于 节理化岩体及其散体系统静/动态问题求解分析。迄今，UDEC已经广泛应用于边坡、洞室、废弃料隔离、能源处理、节理化岩质坝基坝体稳定、地震/微震解译 和深埋地下结构等一系列包括常规和非常规工程问题研究。

适用范围广泛:程序并不是为某单一行业领域所设计、定制。源于离散单元法的突出算法优势，UDEC被岩土、采矿等一系列领域的科研工作者广泛应用于分析、测试和设计工作。

方便快捷的使用特征:UDEC可运行于所有Windows操作平台，具有命令流和图形用户界面 两种操作模式。程序内核支持刚体和可变形体模拟，内置岩土工程领域几乎全部的成熟材料本构模型，辅以静/动态求解模式和高度友好用户界面，使得数值分析过 程异常快捷有效。特别地，UDEC植入程序编译器FISH，极大拓展了用户对分析流程和UDEC内核的操控手段。

高度验证和认可:UDEC开发成型于1984年，迄今已有20多年的成功应用历史，具有遍布世界范围内60个国家、超过1000个用户的庞大用户群，包括工程师、咨询师和科研工作者。

UDEC基本特征

用多边形或多面体的块体组合模拟非连续介质体，其中的块体可以是刚体或也可以是变形体，块体之间的接触面可以发生滑移甚至完全的脱开，块体之间可以发生新的接触；

接触面沿法向和切向的运动由线性和非线性力-位移关系控制；

材料模型包括弹性、各向异性、莫尔库仑、Drucker-Prager、双线性塑性、应变软化、蠕变等，用户可以自定义介质的本构关系；

动力学和热力学模块帮助实现对动力和热力学问题的模拟，吸收边界反射波和进行波输入的处理方式实现完全动力学分析；

可以实现分步开挖、分步回填（浇筑）、分步加固的施工过程完全仿真模拟；

矿体

提供广泛的工具进行屏幕输出，包括：观看节理结构（与块体结构隔离）的浏览工具、在接触面绘制矢量和等值线；可以对高分辨率屏幕图像和绘图单元进行互动操作，用多种工业标准格式进行图形输出，电影浏览工具可进行动画显示；

内置前处理工具包括AutoCAD前处理器、隧道生成器、基于统计的节理组生成器；

用内/外区域耦合和自动径向分级网格生成来模拟”无限域” 问题；

地下水可以处理成裂隙水或孔隙水、静态或流态（UDEC）形式；

结构加固单元包括锚杆、锚索、梁、衬砌

UDEC软件可选模块

Barton-Bandis结构面模型模块

Barton-Bandis结构面模型模块Barton-Bandis模型是在大量室内/原位试验的基础上获得的，对结构面法向/切向变形和强度特征的描述更为完备、精确。

流体分析模块

世界前沿的裂隙流分析技术，用于模拟流体沿裂隙网络的流通、扩展、迁移行为，并可以考虑两相不可混/近似不可压介质流。流体分析模块可与其他模块实现耦 合计算技术，特别地，流-固耦合分析中，裂隙导水率与其变形呈函数关系变化，裂隙水压力与介质骨架实现相互作用。总体地，UDEC可处理承压流、瞬态流、 两相流和自由液面计算等诸如此类的流体问题。

温度分析模块

温度分析模块主要针对热传导/对流、及热-力耦合问题而开发。与流体分析模块类似，该模块可进行独立运算，或结合其它模块实现耦合分析目的，如参与热-力耦合、热-水力耦合、甚至可结合动力分析模块进行完全动力耦合分析。

结构单元模块

UDEC为工程支护结构的模拟提供高端技术手段，即结构单元程模块。模块中的结构单元库几乎涵盖了现有工程处理所采用的所有支护形式，如梁、桩、锚杆/ 锚索、衬砌单元等。UDEC结构单元模块的另一重要特点在于描述结构-岩/土体相互作用机理的突出优势，支护结构与岩/土体接触面在切向和法向均通过耦合 弹簧连接，耦合弹簧的力学特征通过弹/弹塑性本构加以定义，可模拟结构-岩/土体之间的剪切滑移和脱开行为。

本构自定义模块

UDEC为用户提供了特定本构模型开发接口，所支持的高级开发环境为Visual C++。

UDEC程序应用领域

离散单元法处理介质对象的朴素描述方法决定了UDEC程序可以满足工程行业范围内广泛地常规、超常规工程问题解决需求。源于对拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC必然具备连续介质力学范畴内的普遍性分析能力，而离散单元法的核心思想更是赋予UDEC在处理非连续介质环节上的本质优势，特别适合于固体介质在荷载（力荷载、流体、温度等）作用下静、动态响应问题的分析，如介质运动、大变形、或破坏行为甚至是破坏过程研究。即便UDEC程序的开发初衷旨在满足节理岩体的研究需求，并具有大量岩土工程相关行业内成功应用历史，但离散单元法理论本身并不限于特定工程行业，从本质层次上描述固体介质物理组成结构、力学特征的理论优势更是逐渐将UDEC程序拓展到其他非岩土工程领域，概括地，UDEC程序部分应用领域可以简述为：

⒈岩土工程：基本涵盖FLAC程序全部应用行业，但本质上较之FLAC更有解决优势。主要集中在介质的变形、渐进破坏问题上，例如大型高边坡稳定变形机理、深埋地下工程围岩破坏、矿山崩落开采等。伴随分析功能的逐渐丰富，UDEC更是成为复杂行业问题研究的首选工具，如岩体结构渗透特征（裂隙流）、动力稳定性、爆破作用下介质破裂扩展、冲击地压、岩体强度尺寸/时间效应和多场耦合（水—温度—力耦合）等问题；

⒉地质工程：地质构造运动过程、断裂过程、水文地质等；

⒊地震工程：板块运动、地震工程与工程振动

⒋建筑/结构工程：建筑结构动力稳定、建筑材料力学特征研究（如混凝土变形、强度特征）；

⒌军事工程：武器系统与发射工程，如弹道运动轨迹优化、炮弹爆炸作用对目标物的破坏过程研究等；

⒍过程工程：农业、冶炼、制造、医药行业的散体物质（皮带）传送、筛选、和分装，如农业中土豆按大小的机械化分选和分装、冶炼行业中按级配向高炉运送过程中的自动配料研究等。