国产CAE的涅槃-岩土行业高性能离散元软件MatDEM

作者 | 刘春博士 

 一、导读

2019年9月11日，ANSYS公司公开宣称：“收购LSTC公司，一举获得其旗下拥有LS-DYNA（结构&流体&电磁的多物理场求解器）、LS-PrePost（前后处理器）、LS-OPT/LS-TASC（参数优化/拓扑优化求解器）”。这是ANSYS公司继2005年收购显示算法为核心的CDI公司（旗下的AUTODYN、ASAS、AQWA和AutoReaGas等软件工具）后的又一世界顶级CAE产品的收购。

这种已经伴随了50多年的仿真软件CAE的发展史。软件大鳄们在不断并购，造就了今天ANSYS、西门子、达索、MSC、奥汰尔和ESI等商业软件在国内驰骋江湖，诸侯争霸的局面。

随着“中兴事件”的爆发，国人开始对自主核心技术的焦虑和思考。而国产cae软件得到了国家前所未有的关注和重视。今天就让我们来认识一款国产土木行业CAE软件-高性能离散元软件MatDEM。

二、高性能离散元软件MatDEM

矩阵离散元MatDEM软件的英文含义是Fast GPU Matrix computing of DiscreteElement Method。软件名取其核心Mat和DEM，即矩阵离散元MatDEM。MatDEM基于矩阵离散元法，计算迅速，其为整个软件的基础与核心。

MatDEM采用创新的GPU矩阵计算法和三维接触算法，实现了每秒1400万次三维单元运动计算(二维4000万)，计算单元数和计算速度达到了国外商业软件PFC的30倍(150万单元)。

软件实现了自动堆积建模，分层赋材料，节理面和荷载设置，丰富的后处理功能和二次开发等。研究生通过简单学习即可完成地质和岩土工程大规模离散元模拟。

三、MatDEM模块有哪些？

MatDEM软件目前包括四个主模块。

1、MatDEM主程序(Main):基于Matlab语言，提供完善的二次开发功能。可修改已有的标准示例，通过命令建立复杂的离散元模型。已提供滑坡，岩爆，撞击作用，桩土作用，滚刀破岩等一系列示例。每个模拟通常包括三个文件，一百多行的代码。

MatDEM采用完全面向对象的方式来组织数据，且数值模拟过程中所有数据均可随时查看。同时，导入保存的数据可以继续计算。

具有完善的后处理功能，包括数十种图件的自动生成，动画制作等。

2、MatDEM模拟箱(Box)：可建成各类地质和工程模型，如地质灾害、构造过程、隧道开挖等。包括“几何建模”，“材料设置”，“数值计算”，“结果显示”四部分。这个模块对应着主程序中二次开发代码user_BoxModel1-3三个文件。为说明方便，采用3万单元三维模型进行演示。

具体介绍如下：

① 几何建模: 自动生成一定粒径分布的颗粒，并堆积和压实。通过团簇模型建立不同形态的颗粒。通过可重叠的压力板施加真三轴围压。

② 设置材料: 目前岩土体离散元的接触关系和微宏观模型还需要进一步的深入研究，是非常好的研究课题。

③ 分组赋材料: 通过导入Excel表中的折线图来切割划分不同的层和组，并赋相应材料力学性质。

④ 连接编辑: 通过导入Excel表中的折线图来设置裂隙、节理和软弱面等。

下图为3万单元二维模型和节理面。颗粒单元未显示，仅显示胶结连接。绿色线段代表胶结，空白为节理。

⑤ 荷载和计算: 按组施加荷载，包括体力(重力)，锁定坐标(自由度)，初速度，位移和应力边界等。通过二次开发命令集定义复杂的荷载和时间过程，完成数值模拟。

自动选择CPU计算和GPU计算。采用的GPU是四年前的产品。采用创新的离散元矩阵计算法，单颗GPU的速度达到了CPU的30倍(目前70倍)，可实现大规模离散元模拟。

3、MatDEM试验室(Lab)：MatDEM_Lab主界面，目前可实现常规三轴，固结和单轴压缩试验，进一步将增加扭剪和环剪试验。

用于研究岩土体的微宏观力学性质。下图中右下方命令行处可见，MatDEM每秒完成310万次颗粒三维运动计算(目前已达到1400万)。三维模拟单元数量上限150万，二维450万。这个模块对应着主程序中二次开发代码

user_AxialNew1-3三个文件。

二维情况下，MatDEM每秒完成770万次颗粒运动计算(目前2000万+)。二维模拟单元数量上限500万。

4、MatDEM后处理(Post-processing):提供非常完善的后处理功能，可自动生成各类场图，过程曲线和模拟动画(具体见程序帮助)。

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