pfc3d 基础 命令.docx

pfc3d 基础 命令.docx

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pfc3d基础命令

PFC3D命令说明

本说明文件译自PFC3D软件版使用手册中的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COMMONCOMMANDREFERENCE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。

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。

例如命令：

BALLradr

…

hertz…

idid

xx

yy

zz

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

BALL生成一个新颗粒；

CLUMP生成一个新块体，或修改已有块体的属性；

DELETE删除球、壁面、块体或历史（HISTORIES）；

GENERATE在特定空间内生成一组颗粒，其大小按指定方式分布；

JSET以给某个接触分配一个“接点”ID号的方式生成一组“接点”；

WALL生成一个新壁面或修改已有壁面的属性（包括修改物性和外加速度）；

FIX为颗粒设置固定速度标记

FREE清除颗粒的固定速度标记

MODEL在指定“接触”上使用用户自定义接触模型；

PROPERTY修改已有颗粒（ball）、接点（joint）、粘结（bond）和接触（contact）的属性。

球的属性包括物性、外加力和速度等；使用区域元素（rangeelement）JSET，用户可以修改特定接点附件的颗粒属性；对于“粘结”，接触粘结和平行粘结都可以被创建并修改其属性；对于“接触”，PROPERTY用于修改用户自定接触模型的修改。

同义命令：

CHANGE、INITIALIZE。

1.1模型创建命令：

WALLkeyword…

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1。

每个壁面都可以设置平移速度与转动速度。

使用TheoryandBackground中的公式，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,,）。

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）有限壁面：

圆柱形或由一组凸面多边形组成，使用关键词face定义。

A.无限大壁面（infinitewall）:

无限壁面由关键词normal和origin定义，前者定义壁面的单位法向向量，所指向的一侧是壁面的有效侧；后者定义壁面上的任意一点。

normalnx,ny,nz

无限壁面单位法向向量的分量；

originx0,y0,z0

无限壁面上任意一点的坐标；

B.圆柱壁面（cylinder）:

使用关键词typecylinder可以定义圆柱壁面，也可定义圆锥、圆台壁面等回旋壁面。

typecylinderkeyword…

end1x1,y1,z1

回旋面的第一个端点；

end2x2,y2,z2

回旋面的第二个端点；

radiusrl,ru

rl:

端点end1处的回旋半径；

ru:

端点end2处的回旋半径；

typecylinder的几点说明：

1）end1,end2至多只能缺省一个，缺省时对应的参数都为0；

2）rl和end1对应，ru和end2对应；

3）radius值决定了回旋壁面的类型：

i.rl=ru，对应圆柱壁面；

ii.rl=，对应圆锥壁面；

iii.rl≠ru，对应圆台壁面；

例如：

Walltypecylinderend1000,end2001,radius,,id=1,kn=1e6,ks=1e6,fric=;生产半径为的圆柱面；

Walltypecylinderend1000,end2001,radius,,id=1,kn=1e6,ks=1e6,fric=;生产地面半径为的圆锥面；

Walltypecylinderend1000,end2001,radius,,id=1,kn=1e6,ks=1e6,fric=;生产上底面半径，下底面半径为的圆台面；

C.螺旋壁面（spiral）:

使用关键词typespiral可以生产螺旋壁面。

typespiralkeyword…

end1x1,y1,z1

螺旋面的第一个端点；

end2x2,y2,z2

螺旋面的第二个端点；

radinrin

rin:

螺旋面的内径；

radoutrout

rout:

螺旋面的外径；

pitchpt

pt:

螺距。

说明：

螺纹的个数由end1,end2之间的距离除以pitch得到的整数决定。

如ed1-end2=10,pitch=3，则螺纹数等于3个。

例如：

Walltypespiralend1000,end21000,radius,,pitch=1,id=1,kn=1e6,ks=1e6,fric=;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。

facex1,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=9normal0,1,0origin,,

wallid=10normal0,-1,0origin,,

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，如下图所示。

图1face定义有限平面

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。

idid

指定壁面的ID号，必须是正整数。

如果不指定，则将选择比当前最大壁面id号大1的整数。

如果指定的id号已经存在，则对应壁面的属性将被修改，如增加1个平面，或修改刚度系数、摩擦系数等。

knkn

设定或修改壁面法向刚度系数（线性接触模型）；

ksks

设定或修改壁面切向刚度系数（线性接触模型）；

frictionf

设定或修改壁面摩擦系数；

xx

设定转动中心（x坐标）；

yy

设定转动中心（y坐标）；

zz

设定转动中心（z坐标）；

xspinxs

设定绕转动中心的转动速度（x分量）[单位：

弧度/秒]；

yspinys

设定绕转动中心的转动速度（y分量）[单位：

弧度/秒]；

zspinzs

设定绕转动中心的转动速度（z分量）[单位：

弧度/秒]；

xvelocityxv

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）；

BALLradr

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

idid

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。

xx

球心的x坐标

yy

球心的y坐标

zz

球心的z坐标

GENERATExxlxuyylyuzzlzuradiusrlruidiliu

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。

triestmax

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。

filterfname

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。

gauss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。

hertz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。

local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。

minrmin

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：

1.BALL和GENERATE是用于生成新球的两个命令，他们之间有很大区别：

a）BALL是在用户指定的一个特定位置，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）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；

c）BALL命令一般用于生成规则排列球组（Regularparticleassembly），GENERATE用于生成非规则排列球组（Irregularparticleassemble）；

2.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）。

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。

SETrandom命令用于设置随机数发生器的状态，详见脚注1；

3.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空间，其球心为（xc,yc,zc），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；

4.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（uniformdistribution），也可使用关键词gauss指定球径大小服从高斯概率分布；

5.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；

6.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。

7.triestmax的说明：

Generate命令生成的球与球之间不允许重叠，用Generate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。

8.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。

DELETEkeyword…

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：

balls

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’sGuide中的例介绍了每经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。

ExampleFISHfunctiontodeleteescapingparticles

;fname:

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

clumpid

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。

histories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。

wallsid

删除ID号为id的壁面，不可指定范围（range）参数。

CLUMPkeywords…

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。

……

……

……

JSET……

……

1.2模型修改命令：

FIXkeyword…

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：

x固定x方向线速度；

y固定y方向线速度；

z固定z方向线速度；

xspin固定x方向角速度；

yspin固定y方向角速度；

zspin固定z方向角速度；

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。

fixxrangeid=5;

propertyxvel=rangeid=5;

FREEkeyword…

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：

x释放x方向线速度（freesx-velocity）；

y释放y方向线速度；

z释放z方向线速度；

xspin释放x方向角速度；

yspin释放y方向角速度；

zspin释放z方向角速度；

PROPERTYkeywordv

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：

addv

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，给所有球的半径加的命令是：

PROPERTYradiusadd。

gradientgx,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：

。

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。

multiplyv

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:

PROPERTYradiusmultiply的作用是将所有球的半径扩大倍，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。

球属性：

radius球的半径

density密度