西北学子自学国产工业软件MatDEM之旅

导读：大家好，我叫范观盛，于2016年进入西北大学学习，学习成绩优异。作为一名大四理工科学生，经常在各大Q群和微信群学习软件操作和工程案例经验，自2019年3月，加入了仿真秀和南京大学刘春博士的QQ群。在短短一年时间内，我学完了仿真秀MatDEM官方教学视频，并且可以掌握大多数软件操作视频教程，大大提高了我的科研学习能力，在此特别致谢。——以下我和大家分享我与MatDEM共同成长的故事。

一、结缘刘春老师和MatDEM

“南京大学地球科学与工程科院刘春博士团队首创矩阵离散元计算法，可以轻松实现1秒钟计算1500万次颗粒运动，要知道当时美国顶尖的PFC程序，1秒也仅仅可以计算30-40万次的单元颗粒运动，不仅一举突破了国外的技术垄断，更是让计算速度直接达到了美国的30多倍，以往1个月的计算量如今1天即可完成”。

作为一个在校工科生，未来希望从事离散元方面的学习和研究，这自然引起了我的关注和兴趣。在我进入MatDEM官网，发现其中的实际案例的模拟得非常直观形象，大规模的三维滑坡发生仿佛就在眼前，岩爆、撞击破坏、桩土作用、滚刀破岩和水压致裂等一系列问题的数值模拟都非常真实。

个人认为：随着时代在进步，传统的工程行业也将变得更加前沿化，与计算机相结合将是未来发展的趋势。以真实案例为基础，利用数值模拟手段进行真实案例的模拟，不仅高效方便，还省下了许多的人力物力，对于科学研究是个好的选择。

滑坡滑带摩擦生热模拟（来自MatDEM官网）

MatDEM示例

二、我的MatDEM学习之旅

有许多同学会觉得软件中都是代码，是不是就很复杂呢？其实不然。

MatDEM采用Matlab语言进行二次开发，可以说你学会了软件的操作，同时能掌握两个软件的使用。刘春老师为方便用户使用软件，附有相应的帮助文件，通过查询帮助文件可以掌握多个命令函数的使用，得到基本事例的介绍以及学习资料的获取。

我学习MatDEM之旅，首先是通过MOOC进行软件的基本原理和内容的学习，再通过仿真秀官网的MatDEM官方视频教程以及刘春老师出版《地质与岩土工程矩阵离散元分析》一书进行深入学习，并在MatDEM官方QQ群和微信群，了解到最新的研究方向和得到问题的解答。

刘老师为更好的方便MatDEM用户的交流创建了交流群，在群里第一时间可以得到最新版本的软件和各种学习资料以及师兄师姐们的宝贵经验。群里也是会有其他同学碰到各种各样的问题，但是再大家共同商讨以及老师建议之下，能够找寻到解决问题的答案。

在碰到问题时，可以去咨询群里的老师们，也可以通过参考案例进行相应的对比修改，这个过程也许是比较痛苦的，但是在问题解决的时候会有一种柳暗花明又一村的感觉。每次通过生成相应的图形，根据我们的要求一点点去完善。

刚开始参考着简单的事例代码进行研读，根据帮助文件以及书本，对每行代码意思进行标注理解，接下来在懂代码的基础上进行使用代码命令，通过了解更改之后发生的变化，进行调整编写代码就可以满足我们的需求了，当我们熟练掌握后，便可从软件使用者成为软件开发者，编写自己的模型代码，进行二次开发，共同丰富软件的应用领域。

在做毕业设计时，指导老师提出使用数值模拟进行坡体稳定性分析，于是，我收集了多个数值模拟软件，对比之下还是选择MatDEM软件。软件采用离散元GPU矩阵计算法和三维接触算法，实现了数百万颗粒的快速离散元模拟，在短时间内完成大规模三维离散元数值模拟。软件在计算效率和单元数上拥有绝对优势，可达到了国外商业软件的几十倍，解决了计算量以及建模尺度问题，使得离散元法较好的应用于工程实例。

软件拥有前处理、计算、后处理和二次开发等功能。软件提供了完善的函数接口和高效的计算引擎，可方便地进行各类地质和工程问题大规模离散元模拟。总结下来MatDEM具有效率高、应用广、功能全面等特点。我的研究方向为边坡的稳定性分析，MatDEM在滑坡数值模拟方面已经很成熟了，可在MatDEM官网以及仿真秀平台进行具体内容的了解。

笔者做的边坡稳定性分析

三、适合本科生进行数值模拟软件-MatDEM

作为和我一样的许多本科生来说，常常面临以下许多问题，在家期间实验无法开展、只有数据没有相应模型，无法发掘毕业论文的创新点以及多样的学科竞赛，个人觉得MatDEM就是一款很好的软件，可以满足我们所需的大多数要求。

软件中可进行常规三轴、单轴压缩、直剪和环剪等基本物理力学试验，我们进行试验操作之后，再通过数值模拟可大大加深我们对试验的认识和理解。软件亦可利用高程数据生成相应的数字高程模型，建立起用户所需要的模型。

对于我们的毕业论文或完成其他的竞赛要求，在这特殊期间无法进行正常实验安排时，身边许多同学都进行了数值模拟，我们可以利用已有试验数据进行建模，得到的数值模拟结果。进而与传统方法进行结合比较，大大丰富了文章内容。对于有更高要求的同学们，还可以进行二次开发，完成自己所需要数值模拟分析结果。

来自MatDEM官方案例：实现三维滑坡模拟。通过进一步添加水的作用，可研究滑坡在水热力、固液气等多场多相复杂条件下灾变机制。模型长宽高为100*50*41米，包括32万颗粒，设定性质为低强度弱胶结土体，模拟真实世界时间9秒钟，见软件示例BoxModel。

演示1：位移图，暖色代表高位移。可看到明显的滑动面。

演示2：滑坡热量分布切面图。在滑带上产生大量热，这种热很可能会加剧滑坡的灾害作用（降低抗剪强度、有效应力）。

四、我学习MatDEM的最大收获

学习MatDEM软件，让我掌握了MatDEM以及MATLAB软件的使用，让我对工程专业越发有兴趣，发现地质和岩土工程试验、事例进行数值模拟后更加立体、形象和令人感兴趣，在此特别感谢刘春老师和仿真秀平台的引路，让我对数值模拟产生了兴趣，在本科以及未来学习阶段，将更加深入学习MatDEM软件，更注重计算机相关方面的学习，将离散元数值模拟和专业知识结合好，我与MatDEM软件共同成长，诚邀大家加入。

五、延伸阅读-颗粒离散元法工程应用的三大问题

颗粒离散元法常用于岩土试样的宏微观特性研究。在模拟工程问题时，需要用较大的单元来代表岩土块体，并赋以相应的力学性质。颗粒离散元法的工程应用面临着三大问题：

(1) 难以直接得到特定力学性质的堆积模型，其建模困难；

(2) 计算量巨大，限制了大规模工程应用；

(3) 多场和流固耦合理论以及软件还不完善。

由中国岩石力学与工程学会与专家宝平台携手打造的“青岩学术沙龙”系列讲座，第二讲邀请了南京大学副教授刘春博士分享《颗粒离散元法工程应用的三大问题探讨》，回看视频已经在仿真秀可以免费观看，感兴趣的朋友可以识别下方二维码观看或点击文章末尾的阅读原文节课。

主讲嘉宾：刘春博士  南京大学副教授

中国岩石力学与工程学会青委会副主任，《隧道与地下工程灾害防治》期刊编委，国际先进科学计算平台大会（PASC）地球科学领域联合主席。刘春教授主持和参与了9项国家自然科学基金项目研究，已发表60余篇学术论文，包括24篇SCI论文；已申请和获得国家发明专利20余项，软件著作权6项。2016年获中国地质学会工程地质“谷德振青年科技奖”；2017年入选中国科协“青年人才托举工程”；2019年入选江苏省第十六批“六大人才高峰”高层次人才选拔培养资助计划；2019年，自主研发的高性能离散元软件MatDEM获“中国数字仿真自主软件创新奖。