نرم افزار FLAC فلک با استفاده از روش تفاضل محدود به تحلیل مدل‌های مختلف در فضای دو بعدی می‌پردازد. این نام مخفف عبارت Fast Lagrangian Analysis of Continua یا تجزیه و تحلیل سریع لاگرانژی است. روش تفاضل محدود از پرکاربردترین روش‌های عددی در حل مسائل ژئوتکنیکی است. قابلیت فلک به حدی است که می ‌توان از آن در طراحی و تحلیل طیف گسترده‌ای از مسائل مهندسی بهره برد. این نرم‌افزار در حوزه‌های متنوعی کاربرد دارد:

  • ژئوتکنیک
  • معدن
  • مکانیک خاک و سنگ
  • تولید انرژی
  • مهندسی نفت و گاز

کاربرد نرم افزار Flac در حوزه های مختلف مهندسی

کاربرد نرم افزار FLAC در حوزه های مختلف مهندسی

 

فلک تحت حمایت زبان برنامه‌نویسی FISH است. با استفاده از این امکان، کاربر می‌تواند توابع مورد نیاز را به روند طراحی و تحلیل اضافه کند. مدل‌سازی در فلک به دو صورت گرافیکی و نوشتاری انجام می‌شود. کاربرانی که به تازگی کار با این نرم‌افزار را شروع کرده‌اند بهتر است در گام اول از روش گرافیکی استفاده کنند. در مراحل پیشرفته‌تر اعمال و اصلاح مستقیم دستورات در Command Bar، دقت و سرعت تحلیل را افزایش می‌دهد.

 

تحلیل دیوار دیافراگمی بتنی توسط نرم افزار فلک

تحلیل دیوار دیافراگمی بتنی توسط نرم افزار فلک

 

اولین نسخه ی نرم‌افزار فلک

اولین نسخه ی این‌ نرم‌افزار محبوب، ۵ سال پس از تشکیل گروه مشاوره‌ی Itasca، در سال ۱۹۸۶ میلادی عرضه شد. دکتر پیتر کاندال ـ عضو دپارتمان مهندسی عمران و معدن دانشگاه مینه‌سوتا ـ سرتیم طراحان نرم‌افزار فلک بوده است. او اولین نسخه از این نرم‌افزار را در یک میکروکامپیوتر به منظور تحلیل سریع مدل‌هایی که المان‌های بسیاری داشته‌اند طراحی کرد. در سال ۱۹۹۴ هم‌زمان با استفاده‌ی بیش از ۱۰۰۰ کاربر در سراسر جهان از فلک، FLAC3D برای نخستین بار منتشر شد. این شرکت در ادامه‌ی فعالیت‌های خود، در سال ۲۰۰۲ اولین نسخه‌ی نرم‌افزار FLAC/Slope را روانه‌ی بازار کرد.

 

ویژگی‌های نرم‌افزار فلک

  • تنوع مدل‌های رفتاری خطی و غیرخطی
  • امکان مدل‌سازی جریان آب زیرزمینی
  • تحلیل دینامیکی
  • شبیه سازی رفتار غیرخطی مصالح
  • شبیه سازی پدیده‌هایی هم‌چون تحکیم و خزش
  • محاسبه‌ی ضرایب اطمینان
  • مدل‌سازی انواع بارگذاری‌ها و المان‌های سازه‌ای
  • شبیه سازی تغییرشکل‌های بزرگ
  • شبیه سازی اندرکنش سازه با بستر خاکی یا سنگی خود
  • دریافت نتایج تحلیل‌ها در قالب خروجی‌های متنوع و کاربردی
  • طراحی و تحلیل سازه‌های گوناگون ازجمله تونل‌ها، خاکریزها، دیوارهای حائل و سدهای خاکی و بتنی، سازه‌های بندری، حفاری‌های زیرزمینی و شیب‌های طبیعی خاکی و سنگی

 

تحلیل گود پایدار شده به روش مهار متقابل با استفاده از نرم افزار فلک

تحلیل گود پایدار شده به روش مهار متقابل با استفاده از نرم افزار فلک

 

نرم‌افزار فلک در فضای سه ‌بعدی FLAC3D

تحلیل‌های لاگرانژی نرم‌افزار فلک در فضای دو بعدی صورت می‌گیرد. نسخه‌ی FLAC3D طراحی و تحلیل مدل‌های ژئوتکنیکی را در فضای سه بعدی انجام می‌دهد. تحلیل‌های دینامیکی و حرارتی، تحلیل خزش و قابلیت وارد کردن کد در فضای ++C از ویژگی‌های FLAC3D است.

 

شبیه سازی با FLAC/Slope

در بسته نرم افزاری FLAC نرم افزار پرکاربردی به نام FLAC/Slope وجود دارد که به تحلیل پایداری در شیب‌ها می‌پردازد. این نرم‌افزار توانایی مدلسازی شیب‌ها را داشته و منطقه را از لحاظ توزیع تنش، خصوصیات مکانیک سنگی و… مدل سازی می‌نماید. البته SLOPE نیز نرم افزاری بسیار کوچک بوده و توانایی مدل سازی مسائل پیچیده را ندارد. با خود نرم‌افزار FLAC می‌توان تمام کارهای FLAC SLOPE را با دقتی بیشتر انجام داد.

  • مدل‌سازی مسائل ساده‌ی پایداری شیب، مهم‌ترین و تنها قابلیت FLAC/Slope است.
  • قدرت این نرم‌افزار به‌حدی نیست که بتواند هم‌چون فلک مسائل پیچیده‌ی ژئوتکنیکی را به‌دقت حل کند.
  • کاربر می‌تواند با استفاده از خود نرم‌افزار، انواع شیب‌ها را به دقت طراحی و به آسانی تحلیل کند.

 

تحلیل پایدارسازی گود توسط نرم افزار FLACSlope

تحلیل پایدارسازی گود توسط نرم افزار FLAC/Slope

 

FLAC در دو نسخه دو بعدی (FLAC 2D) و سه بعدی (FLAC 3D) ارائه شده است. هرچند شیوه مدل سازی و تحلیل عددی در این دو نسخه تفاوت هایی جزئی دارد، اما پایه حل معادلات در این دو نسخه عملاً یکسان بوده و همچنین از الگوی یکسانی در طی مراحل شبیه سازی منطقی برخوردار هستند. نسخه دو بعدی نرم افزار برای حل معادلات و شبیه سازی در شرایط وجود کرنش صفحه ای (Plan Strain Condition) ارائه شده است. در این حالت، در واقع می توان از یکی از مؤلفه های کرنش در راستای محورهای X,Y و Z صرف نظر کرد. بدین ترتیب، مدل سازی برای صفحه عمود بر محور مورد نظر در محیط انجام می گیرد. این شرایط را می توان برای شبیه سازی شرایطی مانند تونل های متوسط و طویل، پی های نواری و… متصور شد.

FLAC 2D یک الگوی دو بعدی برای مدل سازی دارد. همچنین، معادلات به کار رفته در این نرم افزار از نوع روش عددی تفاضل محدود (FDM) می باشد. روش کلی FLAC 2D برای تحلیل شامل تقسیم بندی هندسه محیط به اجزای کوچکتر و با خصوصیات عددی یکسان و حل معادله دیفرانسیل مربوط به هر جزء تا رسیدن به تعادل نسبی است.

در نسخه های قدیمی تر نرم افزار، می بایست ساخت هندسه و بقیه موارد تحلیل کاملاً به صورت برنامه نویسی (اصطلاحاً کد نویسی) به نرم افزار معرفی می شد. استفاده از این نرم افزار به صورت برنامه نویسی به نوبه خود پیچیدگی های زیادی داشت؛ اما با ارائه نسخه های بالاتر این نرم افزار که قابلیت مدلسازی را در محیط گرافیکی داشتند، کار ساخت مدل و انجام تحلیل بسیار ساده تر شد. با این همه، امکان ساخت مدل های پیچیده و معرفی مدل های رفتاری متنوع در این محیط گرافیکی تا حد زیادی وجود ندارد. با ترکیب روش برنامه نویسی 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 مدل های پیچیده نمود.

باید دقت داشت که استفاده از این نرم افزار تنها برای شرایط کرنش مجاز می باشد. در واقع تنها در شرایطی که بتوان از تأثیر جابجایی ها در یک بعد بر نتایج تحلیل چشم پوشی کرد می توان از روش حل ۲ بعدی استفاده نمود. در غیر این صورت باید از تحلیل ۳ بعدی و نرم افزارهای مربوطه مانند FLAC 3D استفاده کرد.

 

تحلیل پایداری شیب با استفاده از نرم افزار فلک

تحلیل پایداری شیب با استفاده از نرم افزار فلک

 

کلیاتی درباره روش تفاضل محدود

همان‌طور که دیدیم نرم‌افزار FLAC بر اساس روش تفاضل محدود کار می‌کند. این روش در کنار روش‌های دیگری نظیر روش المان محدود، المان مرزی، المان مجزا و ترکیبی از جمله مهم‌ترین روش‌های عددی بر مبنای تئوری پیوسته و ناپیوسته به شمار می‌رود. با کمک روش تفاضل محدود می‌توان به خوبی به شبیه سازی تغییر مکان‌ها و کرنش‌های بزرگ سنگ و توده سنگ پرداخت، به خاطر همین از آن بیشتر در مسائل مکانیک سنگ استفاده می‌شود.

بر همین مبنا، نرم‌افزار فلک بیشتر در مدل‌سازی رفتار سازه‌هایی که در سنگ، خاک و دیگر مصالح مشابه حفر می‌شود کاربرد دارد. در این روش مشتقات موجود در معادله دیفرانسیل حاکم بر مسئله جایگزین مقادیر تقریبی آن‌ها در گره می‌گردد. این امر به تشکیل یک سیستم معادلات خطی می‌انجامد و با حل آن جواب تقریبی مسئله در نقاط شبکه‌ای تعیین می‌شود.

 

برای نصب FLAC به چه سیستمی نیاز دارید؟

آخرین نسخه‌ی نرم‌افزار فلک بر روی ویندوزهای ۳۲ و ۶۴ بیتی نصب می‌شود. نصب این نسخه نیازمند دست‌کم پردازنده‌ی دو هسته‌ای، ۱ گیگابایت رم و ۵۰۰ مگابایت فضای خالی در هارد است. امکان نصب فلک بر روی هر سه ویندوز ۷، ۸ و ۱۰ وجود دارد. به‌طورکلی یکی از مزایای این نرم‌افزار عدم محدودیت CPU برای تحلیل مدل و حافظه برای ذخیره‌ی خروجی‌های آن است.

 

آخرین نسخه‌های موجود در بازار

FLAC 8.0 و FLAC/Slope 8.0 آخرین نسخه‌هایی هستند که کمپانی Itasca روانه بازار کرده است. این دو نرم‌افزار به راحتی در دسترس کاربران قرار دارند. FLAC3D 6.0 آخرین نسخه سه بعدی این نرم‌افزار است.

 

تحلیل تونل با استفاده از نرم افزار فلک

تحلیل تونل با استفاده از نرم افزار فلک

 

ماژول‌های (قابلیت‌های قابل نصب) فلک

گزینه‌های مختلف فلک قابل خریداری و نصب هستند و به کاربران اجازه افزایش قابلیت‌های برنامه را می دهند:

  • ماژول دینامیکی
  • ماژول خزش
  • ماژول جریان دو فازی
  • ماژول حرارتی
  • ماژول مدل‌های شامل ++C تعریف شده توسط کاربر

 

بخش های مختلفی که می تواند به نرم افزار فلک اضافه شود

بخش های مختلفی که می تواند به نرم افزار فلک اضافه شود

 

FLAC می‌تواند به دو صورت مورد استفاده قرار گیرد: وارد کردن دستورات در خط فرمان و استفاده از رابط گرافیکی. رابط گرافیکی شرایط اجرای سریع تر فرمان‌ها را فراهم می‌کند. در حالت استفاده از خط فرمان، کاربر به اطلاعات بیشتری در مورد FLAC نیاز دارد که برای کاربران مبتدی می‌تواند مشکل ساز باشد. زبان ورودی خط فرمان بر اساس کلمات قابل فهم است که درک عمل آن را برای کاربر آسان می‌نماید.

هنگامی‌که از رابط گرافیکی برای مدلسازی استفاده می‌شود، متن دستورات در قسمت برنامه نویسی آن ثبت و ذخیره می‌شود. مرسوم است که در مرتبه نخست اجرای یک پروژه از دستورات گرافیکی به علت سهولت کار با آن استفاده شده و در مراحل بعدی که نیاز به دقت بیشتر در انجام عملیات می‌باشد، از بخش دستوری کمک گرفته می‌شود. اطلاعات یک فایل FLAC به آسانی از طریق تغییر متن آن تغییر می‌یابد و چند فایل را نیز می‌توان برای اجرای مراحل مختلف یک تحلیل به یکدیگر مرتبط ساخت. این کار برای مطالعات دقیق مناسب است.

این برنامه از قابلیت‌های دیگری نیز برخوردار می‌باشد که عمده‌ترین کاربرد آن در مسائل ژئوتکنیک می‌باشد. از این برنامه همچنین برای تحلیل و طراحی در مهندسی معدن و ساختارهای زیرزمینی استفاده می گردد. این برنامه روش حل معادلات جابجایی، امکان تحلیل شکست و ریزش را که پدیده مهمی در معدن کاری می باشد فراهم می‌سازد.

چند مورد از کاربردهای نرم‌افزار FLAC در پروژه‌های کاربردی:

  • تحلیل پایداری شیب در معادن روباز
  • بررسی نشست حاصل از حفر تونل‌های کم‌عمق در مناطق شهری
  • تاثیر روش بازکردن تونل بر پایداری آن
  • طراحی کارگاه‌های جبه کار طولانی در معادن زیرزمینی

 

مراحل شبیه سازی در نرم افزار Flac 2D

مراحل منطقی شبیه سازی و تحلیل در نرم افزار Flac 2D به شرح زیر می باشد:

  • ساخت هندسه محیط
  • تعیین شرایط مرزی
  • معرفی خصوصیات مکانیکی و مقاومتی محیط
  • اعمال نیروهای گرانش و نیروهای خارجی
  • ایجاد تعادل اولیه
  • اعمال شرایط اجرایی (مانند حفاری تونل، گود و…)
  • حل مجدد مدل برای استخراج نتایج

 

تحلیل تونل و پایدارسازی گود با استفاده از نرم افزار فلک

تحلیل تونل و پایدارسازی گود با استفاده از نرم افزار فلک

 

برای تعریف خصوصیات رفتاری مدل ها، رفتارهای متنوعی در این نرم افزار در اختیار کاربر قرار دارد. این مدل ها با قابلیت شبیه سازی رفتار محیط در دو حالت خطی و غیر خطی را ارائه می دهند:

  • الاستیک- ایزوتروپیک: این مدل رفتاری برای مواد همگنی به کار می رود که رفتار تنش-کرنش خطی دارند. با آن که مصالح معمولی ژئوتکنیک بسیار کمی دارای رفتار الاستیک کامل هستند، با این حال این مدل رفتاری در روند مدل سازی مواد غیر الاستیک کاربردی عمومی دارد؛ بدین صورت که در اکثر تحلیل های عددی، از این مدل رفتاری برای دستیابی به دیدی کلی از روند تغییرات تنش- تغییرشکل در مدل ساخته شده استفاده می شود.
  • الاستیک- ارتوتروپیک: جهت شبیه سازی مواد الاستیک ناهمگنی که دارای سه صفحه تقارن خواص الاستیک عمود بر هم می باشد.
  • الاستیک- ایزوتروپیک متقاطع: جهت شبیه سازی مواد الاستیک ناهمگن لایه لایه (مانند اسلیت)
  • پلاستیسیته دراگر- پلاگر: رفتار پلاستیک ساده ای که در آن تنش برشی تسلیم تابعی از میدان تنش ایزوتروپیک می باشد. این رفتار کاربرد محدودی داشته و بیشتر برای مدل سازی رس نرم با زاویه اصطکاک پایین در محیط المان محدود کاربرد دارد.
  • پلاستیسیته درزه ای: مدل رفتاری مواد دارای رفتار موهر-کلمب و دارای صفحات ضعف مشخص.
  • موهر-کلمب نرم شونده/ سخت شونده: این مدل رفتاری در حقیقت برای موادی به کار می رود که دارای رفتار موهر-کلمب بوده و علاوه بر آن، مقدار مقاومت برشی آن ها قبل از مقدار گسیختگی نهایی، روندی نزولی (برای رفتار نرم شونده) یا صعودی (برای رفتار سخت شونده) دارد. مدل های رفتاری پلاستیک نرم شونده و سخت شونده بیشتر برای موارد خاص مانند تحلیل بخش بعد از گسیختگی به کار می روند.
  • پلاستیسیته درزه ای نرم شونده/ سخت شونده: مواد دارای این رفتار، در حقیقت همان مواد با رفتار پلاستیسیته درزه ای ساده هستند که علاوه بر آن، خصوصیات مقاومتی ماتریکس و درزه های آن ها، قبل از مقدار پیک، روندی نزولی یا صعودی می یابد.
  • تسلیم پلاستیسیته دوگانه: مدل توسعه یافته موهر- کلمب نرم شونده/ سخت شونده که علاوه بر شبیه سازی گسیختگی برشی، قادر به شبیه سازی فشردگی بازگشت ناپذیر در ماده می باشد.
  • پلاستیسیته کم-کلی(Cam-Clay): این مدل رفتاری برای شبیه سازی موادی به کار می رود که مقاومت برشی و تغییر شکل آن ها، تابعی از تغییرات حجمی ماده است. این مدل رفتاری بیشتر برای مدل سازی پی های مستقر بر رس نسبتا خالص کاربرد دارد. بارزترین خصوصیت این مدل رفتاری، ثابت نبودن مقدار مدول الاستیک در هنگام بارگذاری و باربرداری است.

 

مدل های رفتاری متفاوت موجود در نرم افزار فلک

مدل های رفتاری متفاوت موجود در نرم افزار فلک

 

در هنگام شبیه سازی رفتار یک ماده در محیط عددی، برای انتخاب مدل رفتاری مناسب باید سه نکته را مد نظر قرار داد:

  • مهم ترین پارامترها در پروژه، چه پارامترهایی هستند؟
  • آیا به این پارامترها دسترسی وجود دارد؟
  • هدف کاربردی از مدل سازی چیست؟

از بین این مدل ها، مدل رفتاری موهر-کلمب بیشترین کاربرد را به خصوص در علوم مهندسی ژئوتکنیک دارد. علاوه بر این، اطلاعات ورودی این مدل رفتاری ساده بوده و انطباق زیادی با آزمایش ها و برداشت های ژئوتکنیکی مرسوم دارد. همچنین، در بسیاری از مسائل ژئوتکنیکی، هدف بررسی مسئله از دیدگاه مکانیزم تنش- گسیختگی است.

 

معیار گسیختگی موهر کلمب

این معیار، بر پایه معادله شکست برشی موهر کلمب و همچنین حد نهایی کشش، رفتار سنگ را توصیف می کند. این معیار در نرم افزار FLAC 3D بر اساس سه مقدار تنش اصلی یعنی σ۱، σ۲ و σ۳ ارائه شده است که در حقیقت بیان کننده بردار تنش اصلی در معیار موهر کلمب می باشد.

در نرم افزار FLAC 2D، با توجه به شرایط تنش هر زون در پایان محاسبات، وضعیت تنش زون در پوش سه بعدی تعیین شده و  براساس آن، گسیختگی یا عدم گسیختگی زون تعیین می شود.

 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

 

مطالب مرتبط :