3DEC密度缩放 (density scaling)

文摘   科技   2024-10-02 09:38   内蒙古  
1. 引言

密度缩放(density scaling)技术是一种主要用于动力分析的数值模拟方法【地质力学问题的动力分析 (Dynamic Analysis)】,通过增加允许的时步,从而减少总计算时间,因此在解决大规模问题时能够显著提高计算效率,同时保持结果的准确性。密度缩放允许增加时间步长,这有利于加快需要多次迭代的仿真,尤其是在惯性力通常决定稳定性条件的动态分析中。通过人为增加被仿真材料的密度(同时确保惯性力的影响可以忽略不计),还可以增加临界时间步长。这允许更少的时间步骤来实现类似的模拟效果。


密度缩放在惯性力明显低于系统中的其他力的准静态仿真中特别有效。对于动态分析,可以使用一种称为部分密度缩放的更精细的技术,选择性地将密度缩放应用于需要非常小时间步长的较小块或区域。通过密度缩放获得的计算效率可以节省大量时间,尤其是在具有复杂几何形状或大量小元素导致所需时间步长较小的模型中。它有助于更快地收敛仿真,使工程师和研究人员能够在更短的时间内分析更大的数据集或更全面的模型。


2. 特性

密度缩放是FLACD和3DEC中准静态计算中使用的一种技术,可显著提高获取大型问题解决方案的效率。在准静态问题中,惯性力并不重要。网格点的质量可以缩放以实现最佳数值收敛,而不会影响解。但是,在动态分析中,不能使用全局缩放。复杂的接合系统通常会导致在自动网格划分过程中创建非常小的块和/或单元。小块/单元需要非常小的时间步长,以实现显式算法的数值稳定性,这使得一些动态解决方案非常耗时。然而由于这些块/区域可能非常小,质量非常小,因此可以只为这些块/单元引入一些密度缩放,以使系统惯性的变化可以忽略不计。这种部分密度缩放方案在 3DEC 中实现,用户控制要引入的缩放量,给定代码计算的时间步长,使用命令 block mechanical mass-scale timestep.[Partial density scaling is on.],此命令指定仅将实现时步所需的密度缩放量应用于系统。当给出模型循环命令时(model solve time-total 0.01),将打印一条消息,指示缩放的网格点质量数以及引入的额外质量(DensityScaling.prj)。

partial density scaling:

no. scaled g.p. masses    =      60

min. g.p. scaling factor  =   5.762E-02

max. g.p. scaling factor  =   1.000E+00

min. g.p. added mass      =   0.000E+00

max. g.p. added mass      =   2.792E-05

no. scaled rigid block masses   =       0

min. rigid block scaling factor =   1.000E+20

max. rigid block scaling factor =  -1.000E+20

min. block added mass     =   0.000E+00

max. block added mass     =   1.494E-04

total added mass in model =   6.045E-04

total real mass in model  =   1.920E-02

added mass / real mass    =   3.149E-02

动态时间可用如下的FISH函数获得。

[dynamic.time.total]

[dynamic.timestep]


3. 结束语

尽管使用密度缩放可以提升计算效率,但应谨慎使用这种方法,因为如果惯性力相对于施加的载荷变得很大,不适当的缩放可能会导致解答偏离实际。总体而言,密度缩放是FLAC3D和3DEC的一项重要技术,可以在不影响模拟精度的情况下提高效率。

计算岩土力学
2024年5月8日,《计算岩土力学》建立4周年啦!
 最新文章