آموزش Flac 2D – قسمت اول

آموزش فارسی Flac2D

 

توضیحاتی در کاربرد روش­های عددی در تحلیل­های ژئوتکنیکی:

امروزه بصورت گسترده ­ای از روش­ های شبیه سازی عددی در تحلیل­ ها و طراحی­ های ژئوتکنیکی استفاده می­شود. این روش­ ها بخصوص بدلیل توانایی که در شبیه­ سازی توام رفتارهای خطی و غیرخطی دارند، اخیرا مورد توجه مهندسان و پژوهشگران این عرصه قرار گرفته­ اند. علاوه بر این، ارائه نرم­ افزارهای کامپیوتری با الگوی عددی که انعطاف­ پذیری زیادی در ساخت و تحلیل شرایط هندسی گوناگون دارند، شرایط را برای کاربرد این روش ­ها در طراحی­ های پیچیده فراهم کرده است.

اگر بخواهیم روش­ های عددی را از بابت نوع معادلات بکار رفته و روش حل مسئله تقسیم­ بندی کنیم، می­توانیم آن­ها را در دو دسته روش­ های صریح و روش­ های ضمنی تفکیک نماییم. در روش­ های صریح، حل مسئله به کمک حل مستقیم معادله دیفرانسیلی که برای هر المان در نظر گرفته می­شود انجام می­گیرد. این در حالی است که در روش ­های ضمنی حل مسائل از طریق حل مستقیم یا معکوس ماتریس­ های پارامتریک با دخالت ماتریس سختی برای هر جزء از محیط صورت می­گیرد.

روش ­های عددی بر اساس الگوی معادلات بکار رفته دارای انواع مختلفی هستند که در زیر چند مورد از رایج­ترین آن­ها ارائه شده است:

۱- روش المان محدود ( Finite Element Method)

۲- روش تفاضل محدود (Finite Difference Method)

۳- روش اجزاء مجزا (Distanced Element Method)

۴- روش المان مرزی (Boundary Element Method)

در بین روش­ های فوق، روش المان محدود جزء روش­ های ضمنی بوده و روش­ هایی مانند تفاضل محدود و اجزاء مجزا در دسته روش­ های صریح قرار می­گیرند. البته اخیراً روش­ های عددی دیگری مانند (DDA (Discontinues Deformation Analysis  و … ارائه شده ­اند که دارای پیچیدگی­ های ویژه خود بوده و تنها برای تحلیل­های خاص کاربرد دارند.

آموزش نرم افزار Flac 2D

Flac 2D یا همان Fast Lagrangian Analysis of Continua یکی از نرم­ افزارهای محبوب مهندسان و پژوهشگران ژئوتکنیک و از جمله محصولات کمپانی آمریکایی Itasca می­باشد. این کمپانی ارائه دهنده نرم ­افزارهایی مانند UDEC, 3DEC, Flac 2D, Flac 3D, PFC, .. است که امروزه بصورت حرفه­ ای در بسیاری از طراحی­ های علوم مکانیک خاک و مکانیک سنگ مورد استفاده قرار می­گیرند.

Flac 2D یک الگوی دوبعدی برای مدل­سازی دارد. همچنین، معادلات بکار رفته در این نرم ­افزار از نوع روش عددی تفاضل محدود (FDM) می­باشد. روش کلی Flac 2D برای تحلیل شامل تقسیم ­بندی هندسه محیط به اجزا کوچکتر و با خصوصیات عددی یکسان و حل معادله دیفرانسیل مربوط به هر جزء تا رسیدن به تعادل نسبی است.

شکل 1 نمودار ترتیب محاسبات در نرم افزار FLAC 2D

شکل ۱ نمودار ترتیب محاسبات در نرم افزار FLAC 2D

 

در نسخه­ های قدیمی­تر نرم ­افزار، می­بایست ساخت هندسه و بقیه موارد تحلیل کاملاً بصورت برنامه­ نویسی (اصطلاحاً کدنویسی) به نرم­ افزار معرفی می­شد. استفاده از این نرم­افزار بصورت کدنویسی به نوبه خود پیچیدگی­ های زیادی داشت؛ اما با ارائه نسخه­ های بالاتر این نرم­ افزار که قابلیت مدلسازی را در محیط گرافیکی را داشتند، کار ساخت مدل و انجام تحلیل بسیار ساده ­تر شد. با این همه، امکان ساخت مدل­های پیچیده و معرفی مدل­های رفتارهای متنوع در این محیط گرافیکی تا حد زیادی وجود ندارد. با ترکیب روش کدنویسی و استفاده از محیط گرافیکی این نرم افزار، می توان علاوه بر ساده کردن و بالا بردن سرعت مدلسازی، در صورت نیاز اقدام به ساخت مدل­های پیچیده نمود.

قبلا هم گفتیم که Flac 2D نرم افزاری برای ساخت مدل­ های دوبعدی است. بنابراین باید دقت داشت که استفاده از این نرم ­افزار تنها برای شرایط کرنش صفحه­ ای و تنش صفحه­ ای مجاز می­باشد. در واقع تنها در شرایطی که بتوان از تاثیر جابجایی­ ها در یک بعد بر نتایج تحلیل چشم­پوشی کرد می­توان از روش حل دوبعدی استفاده نمود. در غیر اینصورت باید از تحلیل سه ­بعدی و نرم­ افزارهای مربوطه مانند (Flac 3D) استفاده کرد. در ادامه، با حل یک مثال، ساده ترین گام های کار با این نرم افزار را دنبال می کنیم و سعی می کنیم از محیط گرافیکی برای استخراج کدهای Flac 2D استفاده کنیم.

مدلسازی یک تونل ساده با Flac 2D

در این بخش بصورت ساده ساخت هندسه اولیه و تحلیل یک تونل در محیط نرم افزار شرح داده می شود. روش کار مورد استفاده در اینجا استفاده از ترکیب ساخت گرافیکی و کدنویسی Flac است. فرض کنیم که تعیین روش اجرا و طراحی سیستم نگهداری موقت برای یک تونل در محیط خاکی با روباره متوسط (در اینجا ۲۰ متر) مورد نظر است. هندسه تونل نیز بشکل دایروی و با قطر ۱۰ متر می­باشد.

برای آسان شدن کار، توصیه می­شود که تمام مراحل تحلیل در فایل های جداگانه با فرمت .dat و بصورت کدنویسی ذخیره شده و مجموعا در یک پوشه جداگانه وجود داشته باشند. شیوه انجام تحلیل بدین صورت را در ادامه شرح خواهیم داد. انجام تحلیل به این شکل، امکان انجام تصحیحات لازم را با دسترسی ساده و سریع به دستورات، آسان خواهد کرد.

برای انجام کلیه مراحل تحلیل بشکلی که در بالا گفته شد، ابتدا در Start>Program>Itasca>Flac کامپیوتر بر روی آیکون Flac 2d single precision کلیک راست کرده و Copy را انتخاب کنید. سپس یک پوشه با اسم دلخواه در یکی از درایوهای کامپیوتر خود ساخته و Paste Shortcut کنید. همچنین، یک فایل Notepad اولیه با اسم دلخواه (مثلا Geo ) ساخته و آنرا با فرمت dat ذخیره کنید.

با دوبار کلیک کردن روی برنامه Flac، صفحه­ ای بصورت زیر باز می­شود که منوی اصلی نرم افزار در حالت DOS است:

شکل 2

شکل ۲- محیط نرم افزار Flac در حال کد نویسی (DOS)

 

برای استفاده از حالت گرافیکی Flac (گاهی به آن مد Windows می گویند)، کافی است پس از باز کردن برنامه در حالت DOS، کلمه GIIC را در آن تایپ کرده و سپس Enter کنید. صفحه ای بصورت زیر باز خواهد شد:

شکل 3

شکل ۳- محیط Flac در حالت گرافیکی

 

مراحل کلی تحلیل عددی استاتیکی را می توان به سه گزینه زیر تقسیم کرد:

۱- ساخت هندسه

۲- تعیین شرایط مرزی

۳- بارگذاری و اعمال شرایط اجرایی

در ادامه بر اساس گزینه­ های بالا به انجام تحلیل می پردازیم:

ساخت هندسه یک تونل دایروی در Flac 2D

برای ساخت هندسه بصورت ساده برای تونل مورد نظر، در ابتدا مقطعی از زمین با عرض ۴۰ متر(چهار برابر عرض تونل) و ارتفاع ۴۰ متر (بر اساس ۲۰ متر روباره) را با مش ساده می سازیم. برای اینکار در Toolbar بالا بر روی Build کلیک کرده سپس بر روی Simple کلیک کنید:

شکل 4

شکل ۴- مکان ابزار Build در نرم افزار Flac برای ساخت هندسه در حالت گرافیکی

 

باکسی باز خواهد شد که اعداد درون این باکس باید بصورت شکل زیر پر شوند :

شکل 5

 

در شکل فوق X rang مربوط به کمینه و بیشینه عرض افقی مدل و Y Rang مربوط به کمینه و بیشینه طول آن در راستای قائم است. همچنین، Grid Ratio معرف تغییرات ابعاد مش ها در دو راستای افقی (I) و عمودی (J) می­باشد. برای مثال در صورتی که نیاز به مش های با ابعاد ریزتر در پایین مدل باشد، کافیست برای J نسبتی بیشتر از ۱ (مثلا ۲۵/۱) انتخاب شود.  Grid Zone  نیز تعداد مش های موجود در این دو راستا را تنظیم می کند.

پس از پر کردن باکس فوق و کلیک بر روی OK، مدل بصورت زیر ساخته می­شود. برای استخراج دستور این مدل، بر روی Execute کلیک کنید:

شکل 6

شکل ۶- استخراج کدهای مربوط به ساخت هندسه در Flac

 

دستورات مربوط به ساخت این مدل در نوار کناری دست چپ در مد  Record ظاهر خواهند شد.

شکل 7

شکل ۷- کپی کردن کدهای استخراج شده Flac

 

حال با Drag کردن موس بر روی دستورات ظاهر شده، آنها را کپی کرده و در فایل Geo.dat (که در ابتدای کار ساختیم) انتقال دهید. برای اطمینان از عدم تاثیر مدل های قبلی بر برنامه های در حال کار، در ابتدای فایل Geo.dat کلمه new را نیز اضافه و Save کنید. همچنین، بعد از لغت Config، ats را اضافه کنید که معرف حالت استاتیکی ساده بر اساس تغییرات تنش می باشد. بدین ترتیب، دستورات زیر باید در فایل Geo.dat شما وجود داشته باشند:

new

config ats

grid 80,80

gen (-20.0,-15.0) (-20.0,25.0) (20.0,25.0) (20.0,-15.0) ratio 1.0,1.0 i=1,81 j=1,81

model elastic

تا اینجا شما کدهای مربوط به یک مدل ساده را ساخته اید. برای امتحان اینکه اعمال فوق درست انجام شده یا خیر، کافیست در نوار دستور بالای برنامه گزینه Run را انتخاب کرده و سپس بر روی Call کلیک کرده گزینه Pick را انتخاب نمایید. سپس در فولدر باز شده روی فایل Geo.dat دوبار کلیک کنید. خواهید دید که برنامه فایل فوق را فراخوانی کرده و مدل دوباره ساخته می شود.

هندسه تونل در Flac

 برای ساختن هندسه تونل، در نوار ابزار بالای صفحه گزینه Alter را انتخاب کرده سپس در پایین آن Shape را انتخاب کنید.  حال در سمت راست صفحه Circle را انتخاب کرده و با Drag کردن موس در وسط مدل، یک دایره رسم کنید. سپس گزینه Generate  در پایین سمت راست را بزنید. بشکل زیر:

شکل 8

شکل ۸- ساخت هندسه تونل در مدل

 

مثل قبل، دستور مربوط به ساختن تونل دایروی در حاشیه سمت چپ تولید می شود که با زدن Execute در پایین صفحه و سپس کپی کردن دستور فوق در حالت Record و انتقال آن به فایل Geo.dat (در ادامه دستورات قبلی)، می توانید کد تولید شده را ذخیره کنید. دستور کپی شده شکلی کلی مشابه زیر خواهد داشت:

 

شکل 9

شکل ۱۰- کد های مربوط به هندسه تونل

 

 

که X,Y مختصات مرکز دایره و Radius شعاع دایره خواهند بود. اعداد فوق را بصورت زیر اصلاح کنید:

gen circle 0,0   ۵

حال می توانید پس از Save کردن فایل Geo.dat، آنرا دوباره فرا خوانی کنید. شما یک مدل اولیه برای یک تونل دایروی ساخته اید.

۲۱ دیدگاه

دیدگاه بنویسید