3DEC

三维离散单元法程序

3DEC是3 Dimension Distinct Element Code的缩写，即三维离散单元法程序，顾名思义，3DEC是一款基于离散单元法作为基本理论以描述离散介质力学行为的计算分析程序。概括来讲，3DEC程序承袭了UDEC的基本核心思想，本质上是对二维空间离散介质力学描述向三维空间延伸的结果。中国区域（包括香港，澳门）3DEC软件销售工作都由ITASCA中国公司负责。

计算原理

计算原理的先后沿承关系决定了3DEC程序就物理介质对象的力学分析方法总体遵循UDEC程序基本思想，但不否认二者在具体技术处理环节上各具特色，从应用方法选择角度出发，有必要洞悉、理解方法意义上的异同点：

与UDEC程序一致地，3DEC以朴素的思想看待介质离散构成特征，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；

3DEC采用凸多面体来描述介质中连续性对象元素（如岩块）的空间形态，并通过若干凸多面体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）则以曲面（三角网）加以表征；

表征连续性特征对象的凸多面体可以服从可变形、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。

连续性特征对象之间通过边界（非连续特征）实现相互作用，描述边界曲面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面体之间在公共边界处相互滑动或脱开行为；

在特定条件下，3DEC程序亦可蜕化为UDEC程序，尽管3DEC的开发初衷是描述三维空间离散介质的力学行为，但程序同样具备二维空间即平面分析能力，如3DEC同时提供平面应力、平面应变分析解决手段。

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/FLAC3D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3DEC技术存在理论上的本质差别，具体可参阅UDEC概述内容。

如将介质理想地看待为完全连续体，此时3DEC程序可蜕化为FLAC/FLAC3D等连续力学方法，只描述连续性对象即可，即3DEC程序可以选择在连续介质力学、与非连续介质力学分析功能两者之间切换，表现出强大通用程序特征。

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3DEC程序可以满足工程行业范围内的广泛地常规、超常规工程问题解决需求。基于UDEC方法基本理论的承袭、拓展关系，同时决定了3DEC程序在分析功能、及行业应用领域与UDEC程序具备绝对的共性特征，这里强调分析模式上的共性，如UDEC、3DEC均能考虑水、温度、动力等复杂受力条件对介质力学行为的影响，但就表达物理介质复杂形体特征、和赋存环境（如应力环境）等现实条件的吻合度而言，3DEC基于三维空间的描述方法显然比UDEC程序考虑的更为贴切一些。当然，以上论述并不突出强调方法论上的孰优孰劣，旨在建议应用者在分析方法选择环节，应建立在充分了解程序特征的基础上，最终根据问题自身特点和应用需求确定使用哪一款方法。

拉格朗日求解模式决定了3DEC具备强大连续介质力学范畴内的普遍性分析能力，同时离散单元法的核心思想更是赋予3DEC在处理非连续介质环节上的本质优势，特别适合于离散介质在荷载（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、或破坏行为和破坏过程研究。即便3DEC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，从本质层面角度描述固体介质物理组成、力学特征的理论优势更是将3DEC程序拓展到其他非岩土工程领域，概括地，3DEC程序部分应用领域可以简述为：

＞岩土工程：基本涵盖FLAC、FLAC3D、UDEC程序全部应用行业，并且本质上较之这些程序更有技术解决优势。具体地，行业问题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。伴随程序功能的逐步延伸，3DEC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；

＞地质工程：地质构造运动过程、断裂过程、水文地质等；

＞地震工程：板块运动、地震工程与工程振动

＞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）；

＞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；

＞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。

软件特点

＞非连续介质被模拟为凸或凹形多面体的组合体；块体可为刚体或可变形体

＞非连续特征定义为块体之间的接触面（边界）＞非连续特征对象（接触）的法向和切向运动服从线性或非线性力—位移定律

＞拥有极其丰富的岩土体/结构材料模型库，如常用的：弹性模型、各向异性模型、莫尔库仑模型、Drucker-Prayer模型、双线性塑性模型、应变软化模型、蠕变模型和用户自定义模型

＞具有无限远辐射边界及多样化的波动输入方式以进行完全动力学分析；“NULL(空)”块体可用来模拟开挖和回填；结构单元与块体耦合

＞基于三维OpenGL技术开发的扩展、快速交互式菜单操作界面，为用户提供广泛对象可视化功能，包括：节理网络；块体结构；位移/速度的向量或等值线显示；节理面变形和应力；结构单元变形和应力；以及节理流动等。程序支持一系列工业标准格式图形输出

＞ 3DEC内嵌广泛特色功能，如基于AutoCAD的dxf格式文件的复杂模型生成器PGEN、复杂隧洞模型生成器和基于数理统计理论的节理网络生成器＞内置程序编译器FISH具有强大内核干预能力，为高级用户进行自定义功能定制提供途径＞显式时间追赶法辅助用户洞悉节理及网格单元应力路径，特别地，能够真实展示与路径相关的材料强度峰后行为

＞程序采用内/外区域耦合和自动辐射网格生成法，进行无限域模拟

＞基于孔隙压力梯度的有效应力计算模式

＞ 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

＞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，3DEC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

＞自动网格剖分功能：与传统数值模拟程序不同地，3DEC模型的创建重点在于‘几何构造’的搭建，且构造搭建过程独立于网格剖分技术环节，极大提高建模速度

可选模块

动力分析模块

基于时域法，模拟系统的完全动力响应。3DEC动力分析核心技术包括：速度或应力激励输入机制；安静边界条件；自由远场条件和阻尼技术（瑞雷阻尼和粘滞性阻尼），特别适用于地震响应、爆破震动、动态能量释放及大体积块体流动等非常规问题的分析求解。

温度分析模块

温度分析模块主要针对工程材料中的热传导/对流、及热-力耦合问题。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

除锚杆/锚索、梁单元作为3DEC所具有的结构单元模拟基本手段，衬砌单元用于模拟‘面’型支护结构，如坝、桥梁、墙、及衬砌等结构。3DEC中结构单元计算采用有限元技术。