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岩土工程渗流问题之有限单元法:理论、模块化编程实现、开源程序手把手实操应用

基于python命令流及代码的Plaxis自动化建模与典型案例实践应用


岩土工程渗流问题之有限单元法:理论、模块化编程实现、开源程序手把手实操应用

有限单元法在岩土工程问题中应用非常广泛,很多商业软件如Plaxis/Abaqus/Comsol等都采用有限单元解法。尽管各类商业软件使用方便,但其使用对用户来说往往是一个“黑箱子”。相比而言,开源的有限元程序计算方法透明、计算过程可控,用户可根据自己的需求进行必要的修改,这一点对于科研人员特别重要。然而,长期以来由于有限元开源程序的欠缺、教学方法以介绍理论为主、手把手基于Tutorial的实操培训欠缺、学员编程基础相对薄弱等原因,开源有限元的使用在国内相对较少。然而,科研领域的很多新的东西很难实现在商业软件中(除非通过复杂的二次开发),如果掌握一些开源有限元的基本流程,对科研等工作大有益处。

本次教程主要针对岩土工程中的渗流问题(后续将进行强度问题、固结问题等专题),用四天时间,手把手教大家如何一步一步地搭建自己的模型,包括前处理输入文件的准备、计算可执行文件的编译生成、后处理输出文件的可视化等,其中的编程模块尽可能做到让学员零基础开始,通过提供标准程序库使用搭积木、摆乐高的形式模块化进行,加强学员的易上手、可操作性。学员只需了解简单的编程语句结构即可,甚至都不需要懂某种编程语言的具体语法。通过本课程的学习达到以下目标:学完以后发现不经意间已经学会了某种编程语言(尽管没有进行单独的语言学习),发挥通过实例学习的益处。

【专家】:李博士,北京双一流高校副教授,博导,985高校本科、海外知名高校博士毕业,长期从事岩土工程问题的有限单元法编程与程序设计、相关商业软(Plaxis/Abaqus/Comsol/Flac3D)等的二次开发工作,熟悉Fortran/Matlab/Python等多种编程语言,发表了多篇SCI高水平论文,参与和承担欧盟、国家自然科学基金等多项项目,具有丰富的科研和教学经验。早在2015年就深度使用Plaxis Python API命令流进行相关工程项目的研究与计算分析。

第一 有限元编程基础知识

1.有限单元法基础简介(离散化、存储策略及方程解法、边界条件的处理)
2.编程语言Fortran及编译工具Intel Visual Fortran(IVF)简介
3.Fortran/Matlab/Julia等开源代码及程序库(geomlib/femlib)简介
4.水工建筑物渗流模型相关模块及计算流程
5.水工、市政、工业等相关渗流问题介绍

第二 水工渗流模型搭建

1 坝基、坝下、围堰渗流
1)Programming the Finite Element Method主程序P1流程讲解
2)输入文件准备、输出文件(水头分布、渗流量、坝下渗透浮力、水力梯度分布)、IrfanView的安装、Paraview可视化(手把手操作与讲解)、流函数流线解
3)源代码按需修改与重新编译(如多层岩土体、应用于随空间变异的岩土体参数)

 

2 过坝、坝体、自由面渗流
1)ProgFEM主程序P2流程讲解(固定网格法、变网格法)
2)输入文件准备、输出文件(浸润线、等水头线等)Paraview可视化(手把手操作与讲解)
3)源代码按需修改与重新编译(如黏土心墙坝、碾压质量不均的土石坝)


第三 市政黏土垫层防渗
环境土工问题一

1)垃圾填埋场、平原水库等工程的黏土垫层设计简介
2)黏土垫层竖向渗流ProgFEM主程序P3流程讲解(二维、三维)
3)输入文件准备、输出文件解释(渗漏量等)、图表绘制(Python)
4)竖向等效渗透系数、渗透性检测、质量控制


平原水库


垃圾填埋场

第四 工业污染土固化与稳定后渗流控制
环境土工问题二

1)工业污染土的固化与稳定(Solidification/Stabilisation)处理技术
2)大面积污染土固化与稳定后的渗流ProgFEM主程序P4流程讲解(二维、三维)
3)输入文件准备、输出文件解释(渗漏量等)、图表绘制(Python)
4)水平向等效渗透系数、渗透性检测、质量控制


基于python命令流及代码的Plaxis自动化建模与典型案例实践应用

有限单元法在岩土工程问题中应用非常广泛,很多商业软件如Plaxis/Abaqus/Comsol等都采用有限单元解法。在使用各大软件进行数值模拟建模的过程中,您是否发现GUI界面中重复性的点击输入工作太繁琐?从而拖慢了设计或方案必选进程?本次课程主要针对岩土工程中的各种问题(塑性、渗流、固结、动力、稳定安全、热力TM),用四晚时间,手把手教大家如何一步一步地搭建自己的Plaxis模型,包括Plaxis Python API的连接与配置、外部Python编译器的使用、Python命令流自动建模过程、Python远程脚本读取输出结果等,其中的Python建模模块尽可能做到让学员零基础开始,通过提供标准命令流库,使用搭积木、摆乐高的形式模块化进行,加强学员的易上手、可操作性。学员只需了解简单的Python编程语句结构即可, 以“通过例子去学习”为核心,通过各种详细案例进行手把手教学。通过本课程的学习达到以下目标:学完以后发现不经意间已经学会了面向对象的Python编程语言(尽管没有进行单独的语言学习)及其在Plaxis自动化建模中的应用,充分发挥了通过实例学习的益处。本次培训我们精选模型应用案例,全程干货,让参训学员全面熟悉Plaxis自动化建模流程,提高学员模型应用能力、数据分析和图表制作技能。如果你是资深模型爱好者,这次学习可以进一步熟悉Plaxis各个相关模块;如果你是个模型入门者,这次学习将让你体验一键模拟的乐趣。

Plaxis Python 命令流自动化处理

专题一: Plaxis软件讲解

1.Plaxis2D\Plaxis3D软件简介
2.面向对象编程语言Python及其开发环境Spyder
3.Plaxis输入程序、输出程序界面、应用开发接口API
4.Plaxis模式讲解(地层模式、结构模式、网格模式、水位模式、分阶段计算模式等)
5.Plaxis内置材料本构模型及其属性参数
6.主模块、渗流计算模块、动力计算模块、温度计算模块
7.18个案例(2D), 9个案例(3D)的python命令流简介(覆盖Plaxis几乎所有功能)
 

专题二 Python远程脚本服务器及案例1、2 

1.Plaxis自带命令plaxis command

2.Python脚本服务器介绍和测试



Plaxis默认的Python编辑器是SciTE,同时也可在自己电脑上安装的Spyder编辑器编写并运行代码(需要单独配置)
简单案例1:



简单案例2:砂土地基上圆形基础的沉降(刚性基础与柔性基础)Python代码实现

专题三: 案例3

案例3. 基坑开挖与支护
1.软土模型、土体硬化模型
2.Python本构模型参数赋值与参数化研究(参数敏感性分析)自动化处理

专题四: 案例4

应用实例4:盾构隧道地表沉降及其对桩基的影响
1.Plaxis隧道设计器的Python命令流
2.利用水利条件模拟注浆压力的自动化处理
3.小应变土体硬化模型
4.计算完成自动发邮件告知

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