PFC3D程序解析.docx
《PFC3D程序解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PFC3D程序解析.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
PFC3D程序解析
PFC3D程序解析
PFC3D是基于命令驱动模式（COMMAND-DRIVENFORMAT）的软件，各种命令控制着程序的运行，这部分内容将介绍PFC3D软件的内嵌命令。
本说明文件译自PFC3D软件2.0版使用手册中的COMMANDREFERENCE部分，并补充了一些手册中没有的命令（如设置粘性阻尼、生成圆柱、螺旋壁面等，这些命令在更高版本的手册中有说明）。
命令说明的顺序没有采用原手册中按字母排序的方式，而是根据创建PFC3D
模型解决实际物理问题的一般过程，对相关命令加以说明。
PFC3D手册中COMMON
COMMANDREFERENCE只对每个命令的格式和基本功能做了简单介绍，本说明文件对每个命令做了更详细的解释，为保持文件的可读性，对命令的详细解释都以附录形式给出。
本文件介绍了PFC3D的基本功能，对初学者有较大帮助，但要进行高级应用，还需清楚了解DEM和PFC3D相关功能的基本原理以及软件的结构等。
由于只关注使用PFC3D解决颗
粒流的问题，涉及颗粒流的命令介绍的比较详细，而用于岩土工程等其他领域的命令，由于关注很少且专业知识缺乏，只是不求甚解。
0.关于命令格式的说明：
PFC3D中每个命令基本包含3部分：
命令名、必需关键词和可选关键词。
本说明文件中，命令名和必需关键词写在第一行，尖括号vKeyword…＞表示该命令具有可选关键词，罗列于命令名的下一行次级列；带参数的关键词，参数紧随关键词之后用加粗斜体表示。
名字较长的“命令”和“关键词”，PFC3D允许不写出全部字母，只需简写前面的一些字母，最短可简写名（即PFC3D能识别的最短简写“命令”和“关键词”名）用加粗字体表示。
说明：
命令名为BALL的命令，具有必需关键词rad（参数r）和hertz、id、x、y、z等可选关键词。
其中hertz不带参数，最短可简写为hert;id、x、y、z的参数分别为id、x、y、z。
另外，PFC3D默认对内嵌命令以及FISH函数中的命令名、关键词、参数等的字母大小写不敏感，也可设置为大小写敏感（使用SETcase_sensitivityon命令），建议使用对字母大小写不敏感模式，可减少错误的产生。
1.模型属性命令（MODEL-PROPERTYCOMMANDS）
模型属性命令支持数值模型的创建与修改，主要包括表1所示的命令，这些命令可分为模型创建（或删除）和模型修改两大类
表1模型属性命令
BALL
CLUMP
DELETE
GENERATE
JSET
WALL
FIX—FREE
MODEL
PROPERTY&CHANGE&INITIALIZE
1.1模型创建命令:
WALL
keyword…
WALL命令有两个功能，生成一个新的壁面，或按指定的ID号修改已有壁面的属性参数。
WALL不能使用RANGE逻辑，即不能给一个壁面的不同部分赋不同的属性参数。
壁面只与球有相互作用，壁面之间没有相互作用，因此壁面可以相互重叠。
壁面有两侧，有效侧（activeside）与非有效侧（inactiveside），只有与有效侧接触的球，才与壁面有相互作用。
关于有效侧的定义，见附录
每个壁面都可以设置平移速度与转动速度。
使用TheoryandBackground中的1.28公式，可更新构成壁面的每个顶点的位置，从而得到壁面的运动情况。
应当注意
的是，转动速度的设定还与壁面转动中心有关，默认情况下，转动中心在坐标原
点（0.0,0.0,0.0。
两类壁面可以定义：
（1）无限大壁面：
由关键词origin和normal定义的一个无限大平面；（2^1壁面:
圆柱形或由一组凸面多边形组成，使用关键词face定义。
C.螺旋壁面（spiral）:
使用关键词typespiral可以生产螺旋壁面。
typespiralkeyword…
end1
x1,y1,z1
螺旋面的第一个端点;
end2
x2,y2,z2
螺旋面的第二个端点;
radin
rin
rin:
螺旋面的内径；
radout
rout
rout:
螺旋面的外径；
pitch
pt
pt:
螺距。
end1,end2之间的距离除以pitch得到的整数决定。
如
说明：
螺纹的个数由
ed1-end2=10,pitch=3则螺纹数等于3个。
例如：
Walltypespiralend1000,end21000,radius0.5,1.0,pitch=1,id=1,kn=1e6,ks=1e6,fric=0.2;生产10个螺纹的螺旋面；
D.凸面多边形壁面（convexpolygons）:
使用关键词face可以构造由若干有限平面（face）组成的有限壁面（wall），每个平面（face）必须是由一组按顺序连接的顶点（vertices）组成的多边形（polygon）；有限壁面的有效侧按右手法则确定，详见附录1。
face
x1,y1,z1x2,y2,z2…xn,yn,zn
x1,y1,z1x2,y2,z2…xn,yn,zn为平面多边形的顶点坐标，它们的位置顺序代表着顶点的连接顺序，决定了有效侧的位置。
使用具有相同ID号的WALL命令，可以在已有壁面上增加若干多边形平面，如下列命令定义了一系列有限壁面：
wallid=1face（1,1,1）（1,0,1）（6,0,1）（6,1,1）wallid=2face（6,0,1）（6,0,6）（6,1,6）（6,1,1）wallid=3face（1,0,6）（1,1,6）（6,1,6）（6,0,6）wallid=4face（1,1,1）（1,1,6）（1,0,6）（1,0,1）wallid=5face（2,1,2）（5,1,2）（5,0,2）（2,0,2）wallid=5face（5,0,2）（5,1,2）（5,1,5）（5,0,5）wallid=5face（2,0,5）（5,0,5）（5,1,5）（2,1,5）wallid=5face（2,1,2）（2,0,2）（2,0,5）（2,1,5）wallid=9normal0,1,0origin3.5,0.0,3.5
通过使用多个具有相同ID号（id=5）的WALL命令，定义了一个由4个平面构成的凸面多边形壁面。
警告
警告：
PFC3D软件现阶段只能生成有效的凸壁面，即有效侧夹角大于180°的两个连接面（如图1中的id=5壁面）；对于凹形几何结构，不能定义成一个壁面，必须通过连接不同的壁面得到。
E.WALL命令的其他关键词：
以下关键词用于设置壁面的属性，如刚度系数、摩擦系数、平移速度、旋转速度等。
关键词的可以在命令中的任意位置出现。
x
设定转动中心（x坐标）；
y
设定转动中心（y坐标）；
z
设定转动中心（z坐标）；
xspin
xs
设定绕转动中心的转动速度（
x分量）
［单位:
弧度/秒］；
yspin
ys
设定绕转动中心的转动速度（
y分量）
［单位:
弧度/秒］；
zspin
zs
设定绕转动中心的转动速度（
z分量）
［单位:
弧度/秒］；
xvelocity
xv
BALL
设定平移速度（x分量）；
yvelocityyv
设定平移速度（y分量）；
zvelocityzv
设定平移速度（z分量）；
radrvkeyword…>
生成半径为r的单个颗粒，可选择的关键词有：
hertz
启用Hertz接触模型，若不是用该可选关键词，则模型默认使用线性接触模型
id
id
设置颗粒的ID号。
每个颗粒的ID号应为独一的正整数，如果模型内有相同的ID号，则软件会报错。
如果用户不设置颗粒ID号，软件将自动指定比当前模型内最大ID号大1的号码。
x
球心的x坐标
y
球心的y坐标
z
球心的z坐标
GENERATE
vkeyword…>xxlxuyylyuzzlzuradiusrlruidiliuvannulusxcyczcr1r2>以下关键词可用于修改该命令的功能：
no_shadow
禁止在非阴影区内生成颗粒（见附录二）；默认情况下，颗粒会在壁面的有效侧与非有效侧生成。
tries
tmax
PFC3D默认尝试20,000次，以将指定数量的待生成颗粒置于指定空间。
该命令将尝试的次数设为tmax次，需注意的是，这个值只对当前Generate命令有效，并不是将模型内所有
Generate命令的尝试次数都设为tmax。
filter
gauss
fname
使用用户自定义的颗粒生成过滤器（user-definedgenerationfilter）。
在生成每个球的每一次尝试中，名为fname的FISH函数被调用，详见说明9和附录4。
颗粒半径服从高斯概率分布，而不是默认的均匀概率分布。
此
hertz
local
min
时，平均半径为（rl+ru）/2，标准偏差为（ru-rl）/2；其中rl,ru为关键词radius定义的参数。
新生颗粒使用Hertz接触模型。
若无该关键词，则使用默认的线性接触模型。
该关键词只在并行计算过程起作用，用于强制性地只在本地处理器上生成颗粒，而不在处理器之间共享信息。
rmin
该关键词只在使用了gauss关键词的情况下起作用，用于将高斯概率分布中的最小球半径设为rmin。
默认情况下，高斯概率分布中的最小球半径为rl/10。
说明：
BALL和GENERATE
BALL是在用户指定的一个特定位置，
1.
a）
是用于生成新球的两个命令，他们之间有很大区别：
生成一个新球；新球的生成不受已有球的影响,
允许与其他球有任意大的重叠；由于球之间允许重叠，当循环计算开始时，球之间会突然产生大小相应于重叠量的作用力；
b）
c）
GENERATE是在用户指定的一个空间区域内，生成指定数量的新球；新球的生成受已有球的影响，因为球与球之间不允许有重叠；因此用GENERATE命令能否在指定
空间生成指定数量的球，还取决于空间是否足够大，或生成球过程中的尝试次数（tries）是否足够多等；
BALL命般用于生成规则排列球组（Regularparticleassembly），GENERATE用于生成
非规贝U排列球组（Irregularparticleassemble）；
2.
3.
Generate命令必须指定球的生成空间范围、半径大小分布形式和ID号范围（确定球的数
量1。
球的位置与半径随机选择，因此最终生成的颗粒组的状态（位置和大小）受随机数发生器（Randomnumbergenerator，的影响。
SETrandom1命令用于设置随机数发生器的状态，详见脚注1；
关键词xxlxuyylyuzzlzu用于定义指定空间，新生球的质心x，y，z坐标值分别处于区间［xl,xu］，［yl,yu］和［zl,zu］之内。
若使用可选关键词annulus，则颗粒的生成空间为一球环形
1SETrandom
该命令用于设置随机数发生器的随机种子iseed
我们知道，计算机只能生成相对随机数（伪随机数），伪随机数的计算取决于随机算法和随机种子的选取，当算法和种子确定后，产生的随机数就确定了；种子和算法相同时，产生的随机数也相同。
PFC3D软件中随机算法是不变的，因此随机数的生成完全取决于用户设定的随机种子的大小，即iseed的值。
iseed的默认值等于10000,用户可以自定义随机种子，其大小应和默认值在同一量级；
三点必须明确：
如果用户没有使用SETrandom命令，则随机种子由软件自动选取，一般取自计算的系统时钟，即来自计算机主板上的定时/计数器在内存中的记数值。
这种情况下，同一个模型每次运行时的随机数都不同，Generate生成的球组初始状态（球的大小和
位置）每次也不同；
如果用户使用了SETrandom命令自定义随机种子的大小，那么随机数的产生取决于用户选取的iseed值的大小，相同的
随机种子意味着对于同一个模型而言，无论运行多少次，由Generate命令生成的初始球组的状态是一样的；
随机种子的设置只与有无SETrandom命令以及iseed的大小有关,NEW命令不会改变随机种子的设置。
4.
5.
6.
7.
8.
空间，其球心为（xc，yc，z©,内外球径分别为r1,r2;此时定义方形空间的x，y，z关键词可以省略，否则，指定的空间为annulus定义的球环形空间与x,y,z定义的方形空间的交集；X,y,z与annulus等关键词只能定义简单的方形与球环形空间，而实际问题大多数涉及较复杂的空间。
此时最有效的方法是使用用户自定义FISH函数进一步限制球的生成空间，见关键词
filter的说明；
球径大小由关键词radius定义，默认情况下，球径大小在区间［rl,ru］之内，且服从均匀概率分布2（uniformdistribution），也可使用关键词gauss指定球径大小服从高斯概率分布；关键词idiliu指定了需要生成多少数量的球。
生成球的总数量为iu-il+1，其中iu,il为球ID
号的最大值与最小值；
Generate生成球时，新球与已有球之间不允许相互重叠，因此，当没有足够的空间（或尝试的次数不足，见关键词tries）生成所有指定数量的球时，将生成少于所需数量的球。
软件默认这种情况为发生错误，不过也可以使用SETgen_error命令将这种情况当作警告处
理（软件提示警告信息，但是指令处理过程继续进行）；颗粒生成以后，紧随其后应使用PROPERTY命令设置球的属性参数，包括法向刚度、切向刚度、局部阻尼、密度、摩擦系数，Hertz模型下的弹性模量、泊松比等。
triestmax的说明：
Generate命令生成的球与球之间不允许重叠，用Generat命令生成新球的
过程是不断尝试的过程；每次尝试先按指定的分布形式确定球径大小，并随机（伪随机）确定一个球心位置，再检测该位置周围是否有足够空间生成该球；若空间足够，新球生成，否则进行下一次尝试。
软件默认尝试20,000次，当所需新生球数量较多时，必须使用triestmax命令，设置更大的尝试次数，否则即使有足够的空间，也不能生成所需数量的球。
filterfname：
该关键词的作用是引用用户自定义颗粒生成过滤器（generationfilter），fname是用户自定义FISH函数名，生成每个试产球（trialball）时都将被调用。
在函数fname里，试产球的半径通过fc_arg（0）传递，位置坐标的x,y,z分量分别通过fc_arg
（1）,fc_arg
（2）,fc_arg（3）传递。
要使试产球被接受（即其符合过滤条件），函数中fname的值设为0,否则fname的值设为1。
关于filterfname的更详细说，见附录4。
DELETE
keyword…
删除球（balls）、块（clumps）、历史（histories）或壁面（walls）等，命令的形式取决于
要删除的对象。
相关关键词及其参数如下：
2均匀概率分布的数学概念：
设连续型随机变量X的分布函数为
F（x）=（x-a）/（b-a）,aVx则称随机变量X服从［a,b］上的均匀概率分布，记为X〜U［a,b］.若［x1,x2］是［a,b］的任一子区间，则P{x1在实际问题中，当我们无法区分在区间［a，b］内取值的随机变量X取不同值的可能性有何不同时，我们就可以假定X服从［a，b］上的均匀概率分布.
balls
vrange…>
删除球。
如果指定id号，仅删除对应的1个球；如果指定一个范围（range），则处于该范围内的球（即质心处于该范围之内的球）都将被删除；如果既不指定id号，也不指定范围，则模型中的所有球都将被删除。
利用FISH函数，我们能更灵活地按照所希望的方式删除一些对象，比如删除一些超出指定范围的球。
User'Guide中的例3.21
介绍了每经100个循环，删除位置低于某一高度的球。
关于FISH
语言，将在另一部分给予介绍。
Exampie3.21FISHfunctiontodeleteescapingparticles
;fname:
zapballs.DAT
defremove_balls
while_stepping
y_del_count=y_del_count+1
ify_del_count>100
y_del_count=0
bp=ball_head
loopwhilebp#null
next=b_next（bp）
ifb_y（bp）ii=b_delete（bp）
end_if
bp=next
end_loop
end_if
end
clump
histories
walls
id
删除ID为id的块，不可指定范围（range参数。
删除块只是解散组成块体的球，并不删除这些球。
删除所有历史记录（historytraces）。
另外，也可以用HISTORYreset命令擦除所有历史记录的内容。
id
删除ID号为id的壁面，不可指定范围（range）参数。
CLUMP
keywords…
创建ID号为id的新块，若指定的id已经存在，则其功能为修改ID为id的块体的属性。
FIX
FREE
xspinyspinzspin例如，下列命令行将把ID为5的球的x方向线速度固定为1.5m/s。
JSET
1.2模型修改命令：
keyword…vrange…>
固定某一范围（range）内球的指定速度自由度，若不指定范围（range）,该命令将应用于模型中的所有球。
应当注意的是，固定的是“速度”而不是位移。
当速度的某一分量被固定时，其速度将保持当前值不变，即每个循环中运动方程不会更新速度分量。
速度值可使用PROPERTY命令设置。
以下关键词可使用：
固定x方向线速度；固定y方向线速度；固定z方向线速度；固定x方向角速度；固定y方向角速度；固定z方向角速度；
fixxrangeid=5;
propertyxvel=1.5rangeid=5;
keyword…vrange…>
FREE是与FIX相反的命令，其功能是移除对某一范围（range）内的球在速度自由度上的固化,若不指定范围，该命令将应用于模型中的所有球。
当某速度分量自由化（befree）后，其大小变化将由每个循环过程的运动方程决定。
默认情况下，所有球的所有分量都是自由变化的。
以下关键可用于该命令：
释放x方向线速度（freesx-velocity）；
释放y方向线速度；
释放z方向线速度；
xspinyspinzspin释放x方向角速度;释放y方向角速度;释放z方向角速度;
PROPERTYkeywordvvgradientgxgygz>vrange…>
设置某范围（optionalrange）内已有球（balls）、接点（joints）、粘结（bonds）以及接触
（contacts的属性，包括球的物性、外加力和速度；修改连接到某个接点的球的属性；修改接触粘结和平行粘结的属性。
对于接触，PROPERTY只能修改用
户自定义接触模型的接触属性。
若没有指定范围，则模型中所有有效对象的属性都将被修改。
命令CHANGE和INITIALIZE是PROPERTY的同义命令，具有相同的功能。
以下关键词可用于修改PROPERTY命令的功能：
add
v
修改处于指定范围内的所有对象的参数值，使其在当前值的基础上加上设定值V得到新的值。
例如，给所有球的半径加0.1的命令是:
PROPERTYradiusadd0.1。
gradient
gx,gy,gz
该关键词的作用是有梯度地设定参数值，
即将对象的的参数值设为：
HF%&+
&。
这里关键词
gradient应紧随v值之后设定，（x,y,z）为对象的位置坐标。
如果还使用了关
键词multiply，则由gradient设定梯度（gx,gy,gz）也将用于乘数值的设定。
v
将指定范围内的对象的参数值乘以V得到新的参数值，注意是乘
以V而不是将参数值设定为V。
例如命令：
PROPERTYradius
multiply1.5的作用是将所有球的半径扩大1.5倍，若此时某球的半径等于2.0m，则应用该命令后其半径为3.0m。
PROPERTY命令的关键词可分为以下三类：
修改球属性、修改接触粘结属性
（contact-bondproperties）和修改平行粘结属性（parallel-bondproperties）。
在必要之处，属性参数的单位在方括号内给予了说明。
multiply
球属性:
radius
densitycolor
球的半径
密度［质量/体积］
设置颜色标号（index）。
球的颜色标号必须是一个非零整数，标
号等于0对应于plot命令给球设定的一系列颜色中的第一个
颜色。
例如命令：
PLOTaddballredblueorangeblack设置
kn
ksdamping
friction
poissshearxforceyforcezforce
xdisplacementydisplacementzdisplacementxvelocityyvelocityzvelocityxspinyspinzspinxmoment
ymoment
zmoment
了4种颜色的球，其中颜色编号0对应red（红色），编号1对应blue，依此类推。
此时命令PROPERTYcolor2的作用就是把所有球的颜色设为orange（橙色）。
法向刚度系数（线性接触模型）［力/位移］;切向刚度系数（线性接触模型）［力/位移］;局部阻尼系数。
PFC3D软件默认对于每个新生成的球使用局部阻尼，默认的局部阻尼系数等于0.7，用户可以通过关键词
damping修改局部阻尼系数。
升级会员 