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 南京大学地球科学与工程学院副教授首发 | 矩阵离散元MatDEM公众号
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“颠覆性重生，破坏性并购”，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。
而国产软件的发展历史，正如知识自动化的林雪萍老师所写：中国软件失落的三十年，这里的黎明静悄悄。但是，我们还是能看到，总有一些软件、总有一波人在坚持，例如正视自身，笃定前行，国产CAE软件JIFEX的前世今生。
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？
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。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
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)。四、MatDEM实例-滑坡与边坡
接下来，让笔者为大家介绍一下，MatDEM能实现三维滑坡模拟。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。计算环境：GPU工作站，GPU Tesla K20c根据高程数据和地层数据建立滑坡三维模型，建立具有和真实岩石类似性质的离散元堆积材料，模型包含28.6万单元，模拟真实世界200秒，耗时2天。
滑坡过程演化过程中的位移场(计算耗时两天，模拟真实世界200秒):
模拟地震波与实际近似。总体滑动约60秒。从左上图可以看到，在20秒左右地震波最强，此时滑体正好通过刮铲区。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，计算耗时4小时。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)。
演示3: 滑坡热量分布切面图。前后边界上有摩擦热，在中心区域滑带热明显。
演示4: 暗红色为软弱地层，滑带沿软弱层启动发展，并侵蚀滑床。演示5: 暗红色为软弱地层，滑带沿软弱层启动发展，并侵蚀滑床。图6: 能量转化曲线。滑坡重力势能转化动能，动能上升后又返回零，机械能转化为热，系统能量守恒。图7: 系统热量生成图。绝大多数热量是由于摩擦产生(Slipping)。
利用离散元模拟系统MatDEM模拟了滑坡滑动过程中热量场的分布。在滑动过程中滑体与滑床剧烈摩擦产生大量热量，这些热量会产生热压力并且改变岩土体的性质，加速滑动过程，这一现象很可能是促成高速远程滑坡的诱导因素。建立一个包含220000单元的220 m×120 m二维边坡模型，模型中含有两种地层，中间为软弱层。模拟采用GPU工作站（Tesla GPU K20c）进行滑坡过程计算，模拟了真实世界12s的滑动过程，计算耗时约6.5h。图2 第1s、第6s、第12s的速度场分布图和颗粒连接状态图可见，坡腰中下部和坡脚处产生明显的热量区，由于土体破坏滑动产生断裂热和摩擦热。同时，软弱夹层由于滑动剪切作用也产生了明显的热量，并形成了明显的核形的热量带。图3 滑坡模型滑动过程中1s、6s、9s、12s的热量分布图初步探究了不同高度的边坡与热量带热量峰值、热量总值的关系图4 在12S时，50m、100m、150m、200m高度的滑坡热量场分布图
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