udec

UDEC是Universal Distinct Element Code的縮寫，即通用離散單元法程式，顧名思義，UDEC是一款基於離散單元法理論的一款計算分析程式。

基本介紹

• 中文名：通用離散單元法程式
• 外文名：Universal Distinct Element Code
• 簡稱：UDEC
• 類別：計算分析程式
• 套用領域：岩土工程、地質工程、地震工程等
• 開發環境：Visual C++

方法簡介

離散單元法最早由Peter Cundall在1971年提出理論雛形，最初意圖是在二維空間描述離散介質的力學行為，Cundall等人在1980年開始又把這一方法思想拓展到研究顆粒狀物質的微破裂、破裂擴展、和顆粒流動問題。 物理介質通常均呈現不連續特徵，這裡的不連續性可以表現為材料屬性的不連續、或空間結構（構造）上的不連續。以岩體為例，具有不同岩性屬性的岩塊（連續體）和結構面（非連續特徵）構成岩體最基本的兩個組成要素，與有限元技術、FLAC/FLAC3D等通用連續力學方法相比較，屬於非連續力學方法範疇的UDEC程式基於離散的角度來對待物理介質，以最為樸素的思想分別描述介質內的連續性元素和非連續性元素，如將岩體的兩個基本組成對象—岩塊和結構面分別以連續力學定律和接觸定律加以描述，其中接觸（結構面）是連續體（岩塊）的邊界，單個的連續體在進行力學求解過程中可以被處理成獨立對象並通過接觸與其他連續體發生相互作用，其中連續體可具有可變形、或剛性受力變形特徵。具體到具備可變形能力的單個連續體分析環節而言，介質受力變形求解方法完全遵從FLAC/FLAC3D快速拉格朗日定律（請參考FLAC/FLAC3D程式概況了解詳情）。具體的，UDEC程式對於物理介質的力學描述手段可以通俗說明為：

⒈巨觀物理介質絕非理論意義上的連續體（如，岩體=岩塊+結構面），UDEC以樸素的思想遵循這一自然規律，將其視為連續性特徵（如岩塊）、和非連續特徵（如結構面）兩個基本元素的集合統一體，並以成熟力學定律分別定義這些基本元素的受力變形行為；

⒉UDEC採用凸多邊形來描述介質中連續性對象元素（如岩塊）的空間形態，並通過若干凸多邊形組合表達現實存在的凹形連續性對象，此外，非連續性特徵（如結構面）則以折線段加以表征；

⒊表征連續性特徵對象的凸多邊形可以服從可變形、或剛性受力變形定律，如為可變形體，則採用與FLAC/FLAC3D完全一致的快速拉格朗日方案進行求解，如“格線群模型”。連續性特徵對象之間通過邊界（非連續特徵）實現相互作用，描述邊界的折線段受力變形可遵從多種荷載—變形力學定律（即接觸定律），力學定律可以模擬凸多邊形之間在公共邊界處相互滑動或脫開行為；

⒋在某些極端情形下，如理想地將物理介質看待為完全連續體，此時UDEC程式可蛻化為FLAC/FLAC3D等連續力學描述手段，只描述連續性對象即可。

儘管連續力學方法中也可以處理一些非連續特徵，比如有限元中的節理單元和FLAC中的Interface（界面），但包含了節理單元和界面單元的這些連續介質力學方法與UDEC技術存在質的差別，這種本質差別主要體現在：

⒈UDEC方法為具有複雜接觸力學行為的運動機制描述和分析精度提供基本技術保障。介質體內的接觸行為主要取決於連續性對象（塊體）的運動狀態，現實中的塊體運動狀態可以非常複雜，以衝擊碰撞問題為例，複雜運動狀態（反覆接觸、脫開）時刻調整塊體間相對位置，並致使塊體邊界接觸方式可以多樣化，如平面離散元中邊界的接觸方式有邊—邊接觸、邊—點接觸、或點—點接觸，接觸方法的不同決定了塊體邊界上受力狀態和傳遞方式的差別，UDEC方法在計算過程中不斷判斷和更新塊體接觸狀態，並根據這些接觸狀態判斷塊體之間的荷載傳遞方式、為接觸選擇對應力學定律，有效避免計算結果失真；

⒉複雜模型內部的接觸非常多，如果按傳統的連續介質力學接觸搜尋方法在計算過程中先接觸關係和進行相應的力學計算確定接觸荷載狀態，然後再把這種荷載作為塊體的邊界條件進行塊體的連續力學計算，整過計算過程可能會非常冗長而缺乏現實可行性，為此，Peter Cundall基於數學格線和拓撲理論為UDEC程式設計了接觸搜尋和接觸方式狀態判別最佳化方法，考慮了不同類型問題的求解需要，極大程度地提高了計算效率和穩定性。

套用領域

離散單元法處理介質對象的樸素描述方法決定了UDEC程式可以滿足工程行業範圍內廣泛地常規、超常規工程問題解決需求。源於對拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC必然具備連續介質力學範疇內的普遍性分析能力，而離散單元法的核心思想更是賦予UDEC在處理非連續介質環節上的本質優勢，特別適合於固體介質在荷載（力荷載、流體、溫度等）作用下靜、動態回響問題的分析，如介質運動、大變形、或破壞行為甚至是破壞過程研究。即便UDEC程式的開發初衷旨在滿足節理岩體的研究需求，並具有大量岩土工程相關行業內成功套用歷史，但離散單元法理論本身並不限於特定工程行業，從本質層次上描述固體介質物理組成結構、力學特徵的理論優勢更是逐漸將UDEC程式拓展到其他非岩土工程領域，概括地，UDEC程式部分套用領域可以簡述為：

⒈岩土工程：基本涵蓋FLAC程式全部套用行業，但本質上較之FLAC更有解決優勢。主要集中在介質的變形、漸進破壞問題上，例如大型高邊坡穩定變形機理、深埋地下工程圍岩破壞、礦山崩落開採等。伴隨分析功能的逐漸豐富，UDEC更是成為複雜行業問題研究的首選工具，如岩體結構滲透特徵（裂隙流）、動力穩定性、爆破作用下介質破裂擴展、衝擊地壓、岩體強度尺寸/時間效應和多場耦合（水—溫度—力耦合）等問題；

⒉地質工程：地質構造運動過程、斷裂過程、水文地質等；

⒊地震工程：板塊運動、地震工程與工程振動

⒋建築/結構工程：建築結構動力穩定、建築材料力學特徵研究（如混凝土變形、強度特徵）；

⒌軍事工程：武器系統與發射工程，如彈道運動軌跡最佳化、炮彈爆炸作用對目標物的破壞過程研究等；

⒍過程工程：農業、冶煉、製造、醫藥行業的散體物質（皮帶）傳送、篩選、和分裝，如農業中土豆按大小的機械化分選和分裝、冶煉行業中按級配向高爐運送過程中的自動配料研究等。

軟體特點

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一款利用顯式解題方案為岩土工程提供精確有效分析的工具，顯式解題方案為不穩定物理過程提供穩定解，並可以模擬對象的破壞過程，該軟體特別適合於模擬節理岩石系統或者不連續塊體集合體系在靜力或動力荷載條件下的回響。UDEC軟體的設計思想是解決一系列的工程問題，例如，礦山、核廢料處理、能源、壩體穩定、節理岩石地基、地震、地下結構等問題的研究。

UDEC已經在工程,諮詢,教學和研究中套用了近二十年,目前持證用戶超過1000個,遍布60個國家,是世界上岩土工程數值模擬首選工具。

> 離散介質中沿結構面的大變形模擬(滑移和張開)；

UDEC操作界面(隧洞分部開挖/支護模擬)

> 顯式求解(中心差分)方案為不穩定物理過程提供穩定解；

> 離散介質通過圓角化塊體集合體表達，離散塊體可處理 為變形體/剛體；

> 離散塊體具有豐富的材料模型，如彈性、理想彈塑性、遍布節理、雙屈服和應變軟化等；

> 非連續結構面法向/切向力-位移關係可服從多種本構定律，如常規的彈性、理想彈塑性、彈脆性，甚至是Barton-Bandis模型；

> 強大的求解程式包：溫度、裂隙流、動力計算，以及複雜溫度-力耦合、流-固耦合；

大體積“蜂房”狀凝灰岩雙軸壓縮數值試驗

> 根據功能平衡關係，可準確求解系統能量及其變化，如動能、摩擦功、塑性功、遠場做工，及能量釋放率等；

> 豐富的結構單元類型庫，可靈活實現結構-岩土相互作用，特別適用於支護結構與岩土體非協調變形問題，包括梁、樁、錨桿/錨索、土釘、支撐、襯砌單元等；

> 內置多種工程對象模型生成器，如複雜邊坡、隧洞，具有強大的互動操作功能；

> 內置程式編譯工具FISH語言，用於程式配置、模型控制、自定義功能定義、結果後處理等，為高級用戶提高了強大的用戶干預手段，極大提高工作效率；

> 強大的結構單元類型庫滿足廣泛結構—岩土體相互作用的模擬，如錨索/桿、梁和襯砌單元，結構單元與岩土體之間具有非協調變形特點；

核廢料存儲場圍岩強度弱

> 自版本V4.0後，UDEC程式為用戶開發開發了單/雙精度、64位版本，以保證計算精度及提高計算效率；

> 基於孔隙壓力梯度的有應力計算模式3DEC具有廣泛岩土工程領域分析功能模組，動力分析、蠕變分析、溫度分析、節理網路流動分析等模組專為特定分析目的而定製，特別地，溫度—節理網路流—應力可實現相互完全耦合。

功能強大:作為一款岩土工程數值分析首選工具，UDEC所具有的突出優勢是能為物理不穩定問題提供穩定解。基於離散單元法理論特點，UDEC特別適用於節理化岩體及其散體系統靜/動態問題求解分析。迄今，UDEC已經廣泛套用於邊坡、洞室、廢棄料隔離、能源處理、節理化岩質壩基壩體穩定、地震/微震解譯和深埋地下結構等一系列包括常規和非常規工程問題研究。

隧洞開挖損傷區，UDEC/PFC耦合模擬

適用範圍廣泛:程式並不是為某單一行業領域所設計、定製。源於離散單元法的突出算法優勢，UDEC被岩土、採礦等一系列領域的科研工作者廣泛套用於分析、測試和設計工作。

方便快捷的使用特徵:UDEC可運行於所有Windows操作平台，具有命令流和圖形用戶界面兩種操作模式。程式核心支持剛體和可變形體模擬，內置岩土工程領域幾乎全部的成熟材料本構模型，輔以靜/動態求解模式和高度友好用戶界面，使得數值分析過程異常快捷有效。特別地，UDEC植入程式編譯器FISH，極大拓展了用戶對分析流程和UDEC核心的操控手段。

高度驗證和認可:UDEC開發成型於1984年，迄今已有20多年的成功套用歷史，具有遍布世界範圍內60個國家、超過1000個用戶的龐大用戶群，包括工程師、諮詢師和科研工作者。

軟體可選模組

Barton-Bandis結構面模型模組

Barton-Bandis結構面模型模組Barton-Bandis模型是在大量室內/原位試驗的基礎上獲得的，對結構面法向/切向變形和強度特徵的描述更為完備、精確。

流體分析模組

世界前沿的裂隙流分析技術，用於模擬流體沿裂隙網路的流通、擴展、遷移行為，並可以考慮兩相不可混/近似不可壓介質流。流體分析模組可與其他模組實現耦合計算技術，特別地，流-固耦合分析中，裂隙導水率與其變形呈函式關係變化，裂隙水壓力與介質骨架實現相互作用。總體地，UDEC可處理承壓流、瞬態流、兩相流和自由液面計算等諸如此類的流體問題。

洞室開挖圍岩湧水模擬

溫度分析模組

溫度分析模組主要針對熱傳導/對流、及熱-力耦合問題而開發。與流體分析模組類似，該模組可進行獨立運算，或結合其它模組實現耦合分析目的，如參與熱-力耦合、熱-水力耦合、甚至可結合動力分析模組進行完全動力耦合分析。

廢棄料隔離數值模擬(溫度-應力耦合分析)

結構單元模組

UDEC為工程支護結構的模擬提供高端技術手段，即結構單元程模組。模組中的結構單元庫幾乎涵蓋了現有工程處理所採用的所有支護形式，如梁、樁、錨桿/錨索、襯砌單元等。UDEC結構單元模組的另一重要特點在於描述結構-岩/土體相互作用機理的突出優勢，支護結構與岩/土體接觸面在切向和法向均通過耦合彈簧連線，耦合彈簧的力學特徵通過彈/彈塑性本構加以定義，可模擬結構-岩/土體之間的剪下滑移和脫開行為。

本構自定義模組

UDEC為用戶提供了特定本構模型開發接口，所支持的高級開發環境為Visual C++。