国产仿真软件计算速度超美国30倍？80后南京大学博士：向全国免费开放使用

2020年5月7日晚8点，MatDEM 软件研发者刘春博士将做客仿真秀直播间，为全国用户带来《利用MatDEM来定制专业离散元软件》专题讲座（详细介绍请看后文）。笔者接到这个通知之后，心里是无比兴奋，终于有机会可以一睹偶像的风采。

刘春（前排中间）

说起刘春博士，相信大家并不陌生。2013年仅仅是80后刘春博士毕业第二年，就在全国引起了轰动，通过两年的研究刘春研制出了世界上第一个单机100万颗粒离散元模拟系统，而在这之前工程应用中，离散元法计算单元数只能控制在10万个单元以内。

更为惊人的是，刘春博士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。

使用Tesla P100 GPU计算，模拟25.2万砂子下落，耗时14小时。

MatDEM1.83版中增加了getGroupForce函数，可以获得组的受力，并生成受力曲线，具体请见软件中的LineModel示例。下图为左右两个部件受力曲线图。

此示例的思路可用于地下巷道溃砂等过程模拟，如下图（中国矿业大学提供应用案例）

目前刘春博士研发的MatDEM软件已经多项国家科研项目之中，应用于防治地质灾害、油气开发等多个领域，毫不夸张地说，刘春博士的研究成果是中国仿真技术发展的一大重要里程碑。

41年前离散元法第一篇论文（Cundall and Strack，1979）发表，目前已被引用1万多次。虽然此方法获得了全世界的认可和关注，但长期以来，离散元法工程应用中依然存在三大难题。

①工程应用中涉及计算量巨大，一个非常规油气开采项目就会涉及到数百万个计算单元，当时的算法软件根本无法满足计算需求。

②当时的离散元法定量建模困难，堆积模型的宏观力学性质与单元力学参数间的关系不明确，难以直接获得特定弹性模量和强度的模型；

③离散元法的多场耦合理论尚未完善，缺乏相应的数值软件。

而刘春博士的研究恰恰解决这三个大难题，首先他自创的矩阵离散元计算法使计算速度和规模扩大了数十倍，同时他针对定量建模困难的问题，推导了离散元模型的宏微观转换公式，在软件中实现了离散元材料自动训练，可自动获得指定力学性质的离散元堆积模型，极大地降低了离散元法建模的难度，针对多场耦合问题，在软件中实现了摩擦生热和能量守恒数值模拟；基于有限差分思想，实现了热传导和热力耦合数值模拟；提出了离散元孔隙密度流方法，实现了流固耦合数值模拟。这些方法为进一步的复杂工程应用提供了良好的理论基础。

而对于刘春博士而言，虽然他已经取得了如此大的成绩，但他深知MatDEM软件未来的作者绝不仅仅是他一人。虽然他作为软件的开发者，但他并不是对所有领域都精通，MatDEM软件的二次开发才是MatDEM软件未来发展源源不断的动力。各行各业的从业人员才是MatDEM走向工业应用真正的作者。

所以刘春博士开发的MatDEM软件全部免费开放给所有的使用者。并且无偿提供软件原理文档和操作教程。此外，南京大学MatDEM软件自2018年5月发布以来，为促进软件在科研和工程中的应用，鼓励和支持学生开展探索研究，特设立“MatDEM奖学金”。

“MatDEM奖学金”面向使用MatDEM开展研究和应用的学生。凡是在仿真官网或仿真秀APP报名学习Matdem任意视频教程，均可报名申请。有需要的学员可以在“仿真秀”官网及手机APP搜索学习。

2D hydraulic fracturing(二维水力压裂)