让 AI 独立搭一个 PFC 三维环剪：11 439 颗球，9 次翻车

这次我把一个完整的三维环剪砂土工况交给 AI，从查文献、建几何、写成样脚本，一直做到后处理和报告，中间不接手。

结论先说：流程能跑通，但有两件事它兜不住——长时计算的稳定性，和“应力达标但试样已经飞了”这类物理门禁。

下面按结果讲。

1. 一、环剪不是“直剪加个旋转”

环剪仪是同心双环：内环外半径 45 mm，外环内半径 75 mm，砂样夹在中间。内外环各分上下两段，分界就是剪切面；上段和顶板固定，下段和底板绕 z 轴转。

 

图1　环剪仪剖面。蓝色固定、黄色旋转；z=0 是剪切面，试样夹在 45–75 mm 的环带里。

剪应力不看力，看扭矩：

τ = 3M / [2π(Ro³ − Ri³)]

对标数据用的是 Jumunjin 砂的环剪结果：100 kPa 法向应力下，中密砂峰值约 75.4 kPa、残余约 68.3 kPa，应力比 0.708 和 0.673。

2. 二、剪切键不能拿摩擦代替

真实环剪仪的顶底板有剪切键，作用是嵌进土里，让板-土界面别先滑动。

一开始图省事，把板-土摩擦调到 0.7，没建剪切键。结果同样 0.45 mm 剪切位移下，剪应力只有 1.6 kPa——剪切根本没传进土体。

后来补了 24 个键（顶底板各 12 个），做成“试样侧 1 mm、板侧 4 mm”的楔形。

 

图2　上：每块板 12 个径向键；下：楔形剖面，窄端先进入试样，颗粒可沿斜面排开。

楔形是试出来的。等宽平键在固结下压时，12 个竖直面像犁一样切进颗粒床，试样被挤到 110 mm 高、250 颗飞出。换成楔形，再让键在成样阶段就埋进去、颗粒围着它成型，才稳定。

3. 三、模型长什么样

最终 30 面墙：内外环上下段、顶底板，加 24 个剪切键。环内 11 439 颗砂粒，半径 1.45–1.95 mm。

 

图3　完整模型：11 439 颗砂粒 + 30 面墙 + 22 340 个接触。墙半透明，左侧可逐面开关。

 

图4　沿 z 剖切，显示试样内部的接触网络。

4. 四、结果

固结到 91.7 kPa，孔隙率 0.540，平均配位数 4.00，环外颗粒 0 颗。

剪切用 8 段、每段 1.5 万循环接力跑完，累计位移 3.6 mm。

 

图5　同样 δ=0.45 mm 下：无键 1.6 kPa；加键 34.3 kPa；加键并把上环加高后 63.2 kPa。

 

图6　带 24 个剪切键的 τ–δ 曲线。峰值 72.0 kPa 出现在 0.70 mm，随后软化到 37 kPa。

这里要诚实：后半段的下降，有相当一部分不是材料软化，而是顶板伺服速度上限太小（0.002 m/s）跟不上剪胀，法向力从 2269 N 掉到了 676 N。恒定法向应力下的稳定残余段，这一步还没拿到。

5. 五、微观结构

固结态的配位数、接触组构和孔隙率分布，用来判断试样做得是否均匀。

 

图7　配位数分布，平均 Z = 4.00。

 

图8　接触法向的极坐标分布。组构各向异性 A = 0.093，接近各向同性。

 

图9　沿高度的分层孔隙率，整体均匀，没有明显分层。

6. 六、三次真正卡住的地方

6.1 6.1 初始重叠能把球甩到 863 m/s

  ball distribute 是靠“允许重叠”凑孔隙率的。这些重叠在最终刚度 2×10⁸ Pa 下产生的加速度能到 10⁸ m/s²，试样在几百个循环内就炸开。

把时间步从 1e-6 缩到 1e-7 没用，最大速度反而更高——问题在力，不在步长。

最后用的是软刚度启动：接触模量按 2×10⁵ → 2×10⁶ → 2×10⁷ → 2×10⁸ Pa 分四级升上去，每级跑几百个 calm 5 循环，在刚度还很低的时候把重叠挤掉。最大速度从 1652 m/s 降到 0.38 m/s。

6.2 6.2 FISH 回调里的 command 块会把 PFC 拖死

固结和剪切最长要跑几十万循环。在本机上，PFC 控制台会在 4–9 万循环处无报错停住：日志不再增长、进程还在、没有错误行。

定位了很久，最后锁定在比例伺服：它每 10 步要执行一次

bashcommand
    wall attribute velocity-z [v] range id 5 by wall
endcommand

把这个命令块从回调里拿掉、改成纯 FISH 的 wall.vel.z(wp) = v，卡死才消失。顺带发现 wall.pos.z、wall.spin.z 也都能直接写，板子和 12 个剪切键的同步运动就不用再发命令了。

6.3 6.3 侧壁不能按“名义半高”做

三维图出来以后才看见：试样上半截的颗粒露在环壁外面。

一统计，1306 颗球在 z > 18 mm 的位置——上环只做了名义半高 18 mm，而试样剪胀后顶面到 27 mm。上半截根本没有侧壁。

把上、内环上段加高到 32 mm，同时清理球心越过内外环的颗粒（修复前固结会把 3 颗边缘球挤进内环壁）。修复后剪切全程越界颗粒从 118–170 颗降到 0–1 颗，配位数从 3.97 升到 4.00。

7. 七、AI 能做到什么，做不到什么

最典型的一次：固结报告 98 kPa、看似达标，但同时试样已经飞到 110 mm 高、717 颗出界。只看力的数值会被骗过去，必须同时看高度、越界数和孔隙率。

8. 八、三条可复用的经验

1. 
   
2. 成样先软后硬。 只要用了 ball distribute，就别在最终刚度下直接松弛。
3. FISH 回调里不要反复执行命令块。 能在循环里改的，优先找 FISH 原生访问器；找不到就把命令挪到循环外。
4. 侧壁高度按剪胀后的试样高度设计，不按名义尺寸。 剪切键也别用摩擦代替，做成真几何。

诚实声明
本文的剪切曲线是 8 段接力跑出来的，累计位移 3.6 mm；恒定法向应力下的稳定残余段尚未拿到，参数标定也只做到“同量级”。文中所有数字都来自本机实跑，没有外推。