FLAC_3D快速入门(手册翻译版——一米)

快 速 入 门

(GETTING

STARTED)

版本：flac3d 3.0版

（FTD127） 翻译：一米

2009.06

声 明

现在市面上关于FLAC3D软件的教材寥寥无几，在学习的过程中， 主要还是参考软件本身的使用手册，虽然读英文版手册有些吃力，但 是它论述非常详细，我觉得是用户最好的教材。我在边看手册的时候 边做了翻译，目前为止翻译完成了本部分的内容（略去了部分内容和 例子），还翻译了命令手册的前半部分内容，等翻译完成了，也会和 网友共享，但是像本人这类英语水平一般的人做这样的翻译工作是比 较辛苦的，我也不确定是否有毅力完成命令手册下半部分的内容。虽 然这样的工作比较艰难，但我觉得还是学到了不少东西，手册是最原 始，最翔实的基础教材，看明白了手册，运用软件才会游刃有余。

由于本人专业水平和英语能力的限制，存在问题是在所难免的， 有的地方甚至可能曲解了原意。考虑到时间因素，译文的措辞没有细 细斟酌，还请网友谅解。如果发现译文中的错误，还请广大读者斧正。

一米

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2 快速入

门

这一部分将向初次使用 flac3d 的用户介绍软件的基本使用方法。主要有以下 内容：软件的安装与启动；用软件分析解决问题的步骤，在每一步的操作中，都 有简单例题来说明该步骤具体是如何操作的。

如果你对软件比较熟悉，但是现在很少用它来处理问题，那么这部分的内容 （尤其 2.7 节）能很好的帮你回顾软件操作的要点。本部分 3.3 节全面详细的介 绍了如何进行问题的求解。

Flac3d 支持命令驱动和图形菜单驱动两种模式*。在本手册中大部分的算例 都采用了命令驱动模式。我们认为这种模式能给用户提供操作软件最清晰的思 路。在 1.1 节中我们就已经提到了命令驱动模式使得 flac3d 在分析求解工程问题 时成为了一个功能强大的“多面手”。然而这种模式让新用户，或者长时间未接 触软件的老用户用起来有点不那么容易。命令行必须用键盘输入，可以直接输入 到软件的命令窗口，或者先保存为数据文件，再通过软件的相关命令进行读取。 Flac3d 能识别超过 40 个主命令和 400 多个附属的关键词。

本部分主要包括以下内容：

1 在 2.1 节，手把手的教你们如何在自己的电脑上安装和启动 flac3d 软件。

2 在 2.2 节，用一些简单的教学案例帮组用户熟悉一些常用的命令。 3 在用户建立自己的模型并进行分析计算之前，有必要先了解 flac3d 的

一 些基本知识。在 2.3 节讲述了 flac3d 的基本术语；在 2.4 节主要说明了有 限差分网格的定义规则；而在 2.5 节阐述了输入命令的基本句法。 4 在 2.6 节，阐述了 flac3d 的特点，比如创建、命名和使用对象，以

方便 用户进行问题的求解 5 在 2.7 节，一步步的指导用户如何建模和分析问题，每一个步骤都分

开 论述，并提供简单的例子帮助用户理解。 6 2.8 节－2.10 节分别论述了系统的符号约定、单位体系和精度限制 7 2.11 节说明了软件中各种类型文件的创建和使用。 8 2.12 节对图形菜单操作模式进行了简介。

*

：对于初级用户来说一般图形菜单驱动模式只进行图形输出或者文件操作。本 章节的最后一部分将向用户展示如何使用图形菜单驱动模式来操作软件。

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2.1 安装启动程序

2.1.1 系统要求

安装运行 flac3d 需要的系统最低配置如

下：

处理器：时钟频率至少为 1GHZ，处理器的主频越高，那么 flac3d 的计算速度将 越快。

硬盘：安装软件至少需要 12MB 的硬盘空间。如果装载了在线的用户手册，那么 还需要 16MB 的空间。（注意默认情况下，安装软件时会自动装载用户手册）。除 此之外，还需要至少 100MB 的硬盘空间来存储分析计算时生成的各种文件。 内存－启动软件至少需要 3MB 的内存。在建模过程中，软件所占用的内存，会 不断的发生变化（见表 2.1）WINDOW 操作系统还限定了软件建模时占用的内 存不能超过 2GB。

显示器：推荐 1024×768 分辨率，16 位彩色显示器。

操作系统：FLAC3D 是 32 位操作系统的应用程序，所以基于 intel 技术的 WINDOWS 98 及以上操作系统均支持软件的安装和使用。 输出设备：默认情况下，系统图形会输出到系统打印机上。也可以复制到剪贴板 上，或者保存为格式化的文件，这里所说的格式包括：加强型图元文件格式和位 图文件格式（PCX/BMP/JPEG）。用户可以使用 set plot 命令来指定输出的形式及 格式。 2.1.2 软件的安装 （略） 2.1.3 组件

软件的可执行文件为“F3300.EXE”。FLAC3D 是使用 VC++ 7.0 编写的。除 了可执行程序外，还需要两套动态链接库（DLL 文件），一套用来接入和存取各 种各样的图形；另一套提供内置的各种本构模型。 2.1.4 应用程序和图形处理设备

在使用 FLAC3D 时，各种应用软件和图形处理设备会起到很大的辅助作用。 编辑器：任何以 ASCII 码为标准格式的文本编辑器都可以用来创建 FLAC3D 的 数据文件。但是必须要注意一些“先进”的文档编辑器（如 WordPerfect, Word 等软件），这些编辑器会把格式说明信息编译成标准输出格式，这些说明信息并

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不能被 FLAC3D 识别，所以导入这类文档时会出现错误。FLAC3D 输入的数据 文件必须是标准 ASCII 码形式的文件。

图形输出设备：FLAC3D 支持很多种类型的图形处理设备，默认情况下，生成的 图形可以用“Plot hardcopy”命令来连接到系统默认的打印机以便输出。（或者通 过 FLAC3D 主窗口中 FILE 菜单栏下的 print-view 来设定）

“Plot clipboard”命令可以将显示的图形，存放到 WINDOWS 剪贴板上（没 有任何文件生成）。该图形接着就可以以加强型图元文件格式被粘贴到其它兼容 该格式的 WINDOWS 应用程序中去。

“Set plot metafile”命令可以将图形以加强型图元格式存盘，以便作为计算 的参考或日后插入到文档中去。

通过命令：Set plot +关键词（pcx, bitmap, bmp 或者 jpg）可以存储为许多图 像格式（pcx,bmp,jpeg 等）。输出的这些位图的分辨率由命名行：Set plot

size 来控制。当然也可以使用 Set plot avi 或者 Set plot dcx 以及 Set plot movie 命令将显示图形输出为视屏格式。 无论是黑白的还是彩色的 postscript 打印机，都需要通过“Set plot postscript” 命令来指定。打印图形将存储为文件，这样支持 postscript 格式的图形处理程序 就可以读入并进行修改了。 2.1.5 启动软件

双击可执行文件“F3300.EXE”便启动了程序，接着会弹出一个 FLAC3D 的 主窗口。在主窗口的最下面附带了一个命令窗口，我们可以把命令直接输入到命 令窗口中来执行相关命令，命令窗口最初显示的提示符为：“FLAC3D>”。 当软件启动后，它占用的系统内存是随着用户的操作而不断变化的（比如说， 在建模过程中，系统所占用的内存会越来越多）。我们可以在命令窗口中输入 print memory system 命令来查看现阶段程序已占用的内存及操作系统还可为软件提供 的总内存。如果你在操作过程中发现命令失效（并不是命令错误），那么一定是 系统可分配的内存太少了，软件所占用的内存过多。这个时候，最好退出并重启 软件，以释放内存。表 2.1 列出了一般建立摩尔库伦材料模型的单元数与软件占 用的内存之间的大致对应关系。

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2.7 用FLAC3D进行问题分析的过程

FLAC3D是基于命令驱动模式的软件，因为大多数的分析都需要用到输入文 件。命令语句控制着分析的进程。当然用户交互式的图形控制界面在某些时候还 是可以派上用场，比如在控制出图的时候会相对方便一些。这一部分主要讲解用 FLAC3D进行简单计算所需要的基本命令的使用方法。如果你发现还是看不懂下 面的内容，建议你回到2.2章节再仔细研究下例题中命令驱动方法，边看边操作 着学习。

本章的教学案例——低粘聚力土体中沟渠的开挖问题。我们将用这个例题来 讲述解决问题的基本过程。这个过程可以分为几个明显的阶段（参见图2.9）。 每个阶段我们都分开来论述，每一个部分中都详述了所用到的各种命令，以使得 用户更明白每个过程的操作。

要建立一个可以用FLAC3D来模拟计算的模型，必须要做以下三步工作： （1）建立模型的有限差分网格； （2）定义本构模型和赋材料参数；

（3）定义边界条件，初始条件。 由网格来定义所要模拟的几何空间。由本构模型和材料参数来限定模型对于

外界扰动做出的变化规律（比如开挖引起的变形反应）。由边界条件和初始条件 来定义模型的初始状态（比如说模型在发生变化或扰动前的稳定状态）。 做好了以上三步工作，就可以进行模型初始平衡状态的计算了。接着对模型 做一些变动（比如：开挖或者改变边界条件），然后再对改动后的模型进行计算。 FLAC3D为采用显式解法的软件，它的实际求解过程不同于常规的隐式解法（具 体参见第一章理论和背景中的背景部分）。FLAC3D是采用显式时间步推的方法 来求解代数方程组的，通过一些时间步的计算，才会得到所要的计算结果。完成 计算所需要的时间步可以由软件自动控制，也可以人为的指定计算步数。但最后， 还是需要用户自己来判断进行了这些时间步的计算，模拟的问题是否已经得到了 最终所要的解。至于如何加以判断，我们将在后面的2.7.4节介绍。

通过图2.9我们能够很清楚的了解FLAC3D是如何一步步的完成问题的模拟 和求解的，那么接下来我们将叙述每一步是通过哪些命令来实现的。

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图2.9 FLAC3D基本求解过程

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2.7.1简单网格的生成

网格的生成是通过输入GEN(GENERATE)+关键词的命令来实现的。该命令 既可以用来定义模型的网格数也可以规定网格的形状、大小来适应模型的空间区 域。

在网格生成器中，提供了一些基本形状的网格以帮助用户快速的进行简单问 题的建模。网格生成器中提供了以下一些基本形状：六面体网格，楔形网格，锥 体网格，柱体网格。下面的例子2.12说明了怎样用命令来创建一个x方向划分成6 格，y和z方向分别划分成8格的矩形网格体。

例题2.12 简单矩形网格的生成

gen zone brick size 6,8,8 plot surf

网格中的单元数由关键词SIZE来定义，网格的单元数不能信手定义，要把 握好精度与计算用时之间的平衡尺度。虽然，数值模型的很多方面都会影响到计 算的速度，但是一旦确定了模型的基本参数，计算速度就主要由模型的总单元数 决定了。根据经验，一个大约由5000个单元组成的模型一般计算2000到4000步就 可以完成求解。在主频为1GZ的奔腾电脑上，FLAC3D进行一个由5000个单元组 成的模型的4000步计算大概也就5分钟的时间。在具体模型的计算中，你可以进 行典型模型的测试，看看你的电脑计算速度有多快。

我们建议：最好开始的时候将网格剖分的相对稀疏一些（1000～1500个单元 左右），先求解一下，看看结果，然后再根据大致的结果有针对性的增加模型的 网格数，以得到更精确的解答。

GEN命令的一种最简单的形式可以在建立网格时给网格定义坐标系统，比 如，现假定开挖例题的模型在坐标系中的空间范围是这样的：x方向，-10～10； y方向，-10～10；z方向,-20～0。下面的例题2.3将告诉你这种情况的模型怎么定 义。

例题2.13 定义全局坐标系

gen zone brick size 6,8,8 p0 -10, -10, -20 &

p1 10, -10, -20 & p2 -10, 10, -20 & p3 -10, -10, 0

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plot surf

在例题中，p0、p1、 p2、 p3关键字代表了标准FLAC3D基本网格的四个角 点（见图2.10），你会注意到在前三个命令行的最后出现了“&”符号，这表示， 接下来输入的那行命令是本行命令的继续，也就是说由于命令太长了，一行写不 下，只能分几行输入，那么命令行之间就是通过“&”符号来衔接的（前面的内 容已经叙述了这方面的知识）。

图2.10 标准FLAC3D网格的角点关键词位置 对于平行六面体网

格，在命令中只需定义四个角点就可以建立网格了，对于 不规则形状的网格，那就需要输入更多的角点信息来建立网格了。下面的例题将 告诉你如何定义一个顶部为斜面的网格。

例2.14 顶部为斜面的网格的定义

gen zone brick size 6,8,8 p0 -10, -10, -20 &

p1 10, -10, -20 p2 -10, 10, -20 &

p3 -10, -10, 0 p4 10, 10, -20 & p5 -10, 10, 10 p6 10, -10, 0 & p7 10, 10, 10 plot surf

从理论上来说关键词p0、p1、 p2、 p3... p7在网格中对应的角点应该是任意 的，但事实上，在软件中角点的定义必须满足图2.10中的排列方式（比如说：p0、 p1、 p2、 p3必须满足右手法则）。

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在之前的教学例题中我们知道，模型边界的不同会影响模型的计算结果。所 以模型的边界应该要离开挖的沟渠足够的远，以减少边界对计算的影响。我们可 以定义一种环绕的放射状网格。这种网格可以在不需大量增加网格数量的基础上 将边界移到“更远”的地方。例如，我们可以使用GEN ZONE RADBRICK 命令 创建一个矩形外环绕放射状网格。具体命令的使用见例题2.15，在本例中，创建 了这样一个混合网格：一个3×5×5的矩形网格＋在此网格外围创建的一个由7 格单元组成的放射状网格。

例2.15 创建外环绕放射状网格

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (10,0,0) p2 (0,10,0) p3 (0,0,10) &

size 3,5,5,7 & ratio 1,1,1,1.5 & dim 1 4 2 fill plot surf

FLAC3D中，三维坐标轴总是遵循右手法则的，并且系统在显示图形的时候， 会将z轴默认为竖直方向。在例题2.14中我们就是采用了系统的默认设置，将Z轴 设定为竖直方向，但这并不是规定死的，在例题2.15中，我们就定义了Y轴为竖 直方向。只要是坐标系满足右手法则，我们可以在建立模型时任意定义坐标的方 向。

在例题2.15中， SIZE 关键词定义了矩形网格的网格数和环绕其外的放射状 网格的网格数（参见图2.11）；RATIO关键词定义了网格的间距，前三个值定义 了矩形体三个坐标方向的比率，第四个值定义了环绕扩散单元的扩散比率，在上 例中该值为1.5，即表示放射状网格单元的尺寸以1.5倍的倍率慢慢变大。DIM关 键字定义了矩形单元的范围（在上例中为：1m×4m×2m）FILL命令定义在矩形 区域填充单元，如果在DIM关键字没有FILL关键字，那么在长方体部分就不会生 成单元。

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图2.11 六面体外环绕放射状网格的角点标号图

我们可以使用GEN命令来生成各种形状的网格，比如说例题2.15，用GEN命 令创建了沟渠开挖问题1/4的网格。在接下来的例题2.16中，我们将告诉你怎么用 一系列的GEN命令来创建整个模型。

例题2.16 GEN命令的用法

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (10,0,0) p2 (0,10,0) p3 (0,0,10) &

size 3 5 5 7 & rat 1 1 1 1.5 & dim 1 4 2 fill

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (0,0,10) p2 (0,10,0) p3 (-10,0,0) &

size 5 5 3 7 & rat 1 1 1 1.5 & dim 2

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4 1 fill

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (-10,0,0) p2 (0,10,0) p3 (0,0,-10) &

size 3 5 5 7 &

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rat 1 1 1 1.5 &

dim 1 4 2 fill

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (0,0,-10) p2 (0,10,0) p3 (10,0,0) &

size 5 5 3 7 & rat 1 1 1 1.5 & dim 2 4 1 fill plot surf lblue

注意：SIZE RATIO DIM 都对应为由P0 P1 P2 P3 定义的局部网格坐标（见 图2.11），并不对应模型整体坐标。最后由放射状网格建立的开挖模型见图2.12。

图2.12 放射状沟渠开挖模型 注意检查各网格之间的

连接面上的节点是否相互匹配，如果两个连接面上的 节点坐标不一致那么在计算时就会发生错误。我们将在第三章进一步讨论如何创 建更复杂的网格以及网格节点的容许误差问题。

我们还可以利用模型的对称性，用另一种方法建立图2.12中的模型。我们可 以建立模型的一部分，然后利用对称面将网格扩大到整个模型区域。例题2.17将 让告诉我们怎么实现这个过程。

例题2.17 利用对称面建立模型

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gen zone radbrick &

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p0 (0,0,0) p1 (10,0,0) p2 (0,10,0) p3 (0,0,10) &

size 3,5,5,7 & ratio 1,1,1,1.5 & dim 1 4 2 fill

gen zone reflect dip 0 dd 90 gen zone reflect dip 90 dd 90 plot surf

在确定模型的比率（ratio）时要考虑到以下一些准则：

1、在应力变化范围较大的情况下，好的网格形状会使得计算结果更加的准

确。 2、单元各方向的比率越趋于一致，计算的精度就会越高。

3、如果在模型中需要有不同大小的网格，那么建模时最好是由最小的网格 慢慢渐变到最大的网格，尽量避免两个相邻网格尺寸的突然变化。 当然，模型的网格形状越好，网格划分的越密，那么所占用的内存自然就越 大，计算所需要的时间也就越长。我们可以通过调整单元尺寸的方法来优化我们 的模型，这样就以在尽可能少的占用系统内存，减少时间所需要的时间。当然我 们需要花一些时间来设计和执行优化方案。在复杂问题中，解的精度越高，那么 所占用的系统内存就会越多，所需要的计算时间也会越长，这是普遍的规律。生 成网格的一些方法和技巧我们将在3.3节中加以讨论。

2.7.2定义材料模型（本构模型） 网格建好后，接下来我们就需要给网格定义一

种或几种本构模型以及其对应 的材料参数了。这一步工作需要用到两个命令：model和property。FLAC3D内置 了12种本构模型（在2.1 理论与背景那一节中已经叙述过了）。一般新用户在分 析问题时只要知到其中的三种就足够了：model null（空模型）、model elastic（弹 性模型）、 model mohr（摩尔－库伦模型）。

model null（空模型）：可以用来定义那些被移除或开挖掉的区域的材料；

model elastic（弹性模型）：用来模拟弹性材料；

model mohr（摩尔－库伦模型）；用来模拟摩尔－库伦塑性材料。 如果是定

义了后两种本构模型，那么还需要通过PROPERTY命令给模型赋

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予材料参数值。如果是弹性模型，那么只需要赋两个材料参数就可以了：bulk（体 积模量）；shear（切变模量）。注意体积模量bulk（K）、切变模量（G）和杨 氏模量（E）及泊松比（ν）有如下关系：

或者：

如果是摩尔－库伦模型，那么就需要输入以下的材料参数： （1）体积模量、切变模量

（2）内摩擦角（friction）和剪胀角（dilation） （3）粘聚力（cohesion）

（4）抗拉强度（tension） 如果没有定义其中的一种材料参数，系统会默认它的值为“0”。 在一个模型中，不同区域的网格可能需要定义成不同的本构模型。比如将上 半部分10×10×10m的网格定义成弹性材料模型，将下面其它部分的网格定义成 摩尔－库伦模型。例题2.18将告诉我们配合使用range关键词怎么通过命令实现这 个过程。顺便提一下：我们在例题中用宏预先定义了不同的类型的土。当然宏里 面本还可以定义该类土所在的区域，但是建议不要将材料参数和对应的区域定义 在同一个宏里，我们应该养成这样的习惯。因为这样我们可以方便的借用宏将不 同的区域定义成相同的材料，并赋予材料参数。

例题2.18 给一个简单的网格中不同的区域定义不同的本构模型

gen zone brick size 10,10,10

macro SiltySand ’bulk 1.5e8 shear 0.3e8’

macro ClayeyGravel ’ bulk 1.5e8 shear 0.6e8 fric 30 coh 5e6 ten 8.66e6’

; 网格上半部分定义为弹性模型

model elas range z=5,10

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prop SiltySand range z=5,10 ; 下半部分定义为摩尔－库伦模型

model mohr range z=0,5

prop ClayeyGravel range z=0,5 plot block model lmagenta lgreen

为了避免在输入命令时总要通过range＋全局坐标域的方法来限定该命令执 行的区域，我们可以先通过range命令来给不同的区域命名，然后就可以用range

＋区域名的方法来限定范围了。这样就避免了每次输入命令要限定在该区域执行 时，都要输入一遍坐标范围的麻烦。具体如何给区域命名，以及日后如何用区域 名来限定该区域，可以看下面这个例子：

例2.19 创建和使用区域名

gen zone radbrick &

p0 (0,0,0) p1 (10,0,0) p2 (0,10,0) p3 (0,0,10) &

size 3,5,5,7 & ratio 1,1,1,1.5 & dim 1 4 2 fill

gen zone reflect dip 0 dd 90 gen zone reflect dip 90 dd 90 ;

; 定义开挖的范围

range name trench x=-1,1 y=0,4 z=-2,2

;

; 进行开挖

model null range trench plot surf

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lblue

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图2.13 放射状沟渠模型的开挖

2.7.3设定边界和初始条件 网格生成后还需要设定模型的边界和初始条件。边

界条件的定义通常要用 到apply、fix、free这三个命令；初始条件的定义则要用到ini (initial)命令。表2.3、 表2.4罗列了这些命令的所有关键词，以及这些关键词的作用。 在数值模拟中，边界条件包括了一切可以用具体变量值来描述的网格边界情 况。注意：一旦给模型定义了边界条件，那么在FLAC3D计算模拟的过程中，边 界条件始终不会发生变化（除非用户在此后做了修改）。这里我们所说的边界可 以是真实边界，也可以人为边界。真实边界是模型在现实状况中实际存在的边界， 但人为边界是用户为了使模型封闭而假定的边界。

人工边界又分为两类：对称面和切断面。对称面边界是利用了模型及其所受 荷载沿一个或多个面的对称性而设定的；切断面边界是由于实际问题的边界广阔 无边，或者相对于所要关注的区域来说非常的大而在建模时考虑到计算和内存的 要求，只取实际区域的一部分来模拟问题而产生的边界面。当然在建模的时候必 须要保证切断面离所要关注的区域足够的远。至于到底取多远，也是一个十分重 要的问题，在具体问题中我们应该了解模型的切断面边界对所关注区域的应力， 应变有什么样的影响，影响有多大，再确定切断边界面的位置。这样建模时才可 能尽量减少切断面边界对所要关注区域的影响。

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表2.3 常用APPLY、FIX命令关键词说明表

命令 作用 节点边界条件 APPLY FIX Xforce（xf） 施加节点力X方向的分量 Xvelocity(xve施加节点速度的X方向分量 l) yforce（yf） 施加节点力y方向的分量 yvelocity(yve施加节点速度的y方向分量 l) zforce（zf） 施加节点力z方向的分量 zvelocity(zve施加节点速度的z方向分量 l) 面边界条件 sxx sxy sxz syy syz szz x y z 施加边界面上应力张量x方向的分量 施加应力张量xy方向的分量 施加应力张量xz方向的分量 施加应力张量y方向的分量 施加应力张量yz方向的分量 施加应力张量z方向的分量 固定边界节点X方向的速度分量 固定边界节点Y方向的速度分量 固定边界节点Z方向的速度分量 注意：

1、Free命令是用来释放由“Fix”设置的约束。

2、如果想要约束边界上的位移，只需用到fix命令就可以了，因为fix命令约束了 该节点的速度为“0”，没有速度，那么自然不会有位移。 3、见第一章 命令手册，来查看所有APPLY的关键词。

4、如果是压应力，那么赋值的时候应该是负值，可参见2.8节来了解符号的规定。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6ac.html