安装Anura3D指南---基于物质点法(MPM)的岩土数值模拟

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1 引言

Anura3D是一个使用物质点法(MPM, Material Point Method)进行大变形和土-水-结构相互作用的岩土数值模拟软件。它由Anura3D MPM研究社区开发，该社区由来自欧洲和美国大学的一组研究人员以及一家独立研究机构组成。自2014年以来，他们共同研究物质点法在岩土工程问题中的应用，作为研究的结果，2021年4月30日发布了命名为Anura3D软件的源代码。

Anura3D软件采用基于多组物质点的动态显式MPM公式，能够模拟多相材料(干燥、饱和以及非饱和土)和自由表面水，当前版本支持二维和三维模型。固体和流体材料模型可通过UMAT接口集成其他材料模型，可以结合移动网格使用各种载荷和运动约束、初始和边界值条件。

Anura3D使用Fortran语言编写，虽然开发者提供了源代码，但不提供编译后的执行文件，因此用户必须自己编译源代码。本文描述了安装Anura3D的步骤。

2 安装高版本VS和oneAPI遇到的困难

Anura3D是在VisualStudio和oneAPI下编译的，因此需要独立安装VS和oneAPI。VS目前的版本是2022，以前的版本如2017和2019如果不是VS的订阅用户，在网站上已经不能下载，因此只能安装2022版；oneAPI首先需要安装基础工具箱(Base Toolkit)[w_BaseKit_p_2023.2.0.49396_offline.exe]，这个安装文件大约3.7G；然后安装HPC插件(HPC Toolkit)[w_HPCKit_p_2023.2.0.49441_offline.exe]，这个安装文件大约1.6G。安装oneAPI是一个非常漫长的过程。安装完成后，Fortran编译器集成到VS中，如下图所示。

可惜的是，这个最新的VS版本不能编译Anura3D.sln，因为版本高于源代码使用的版本，Anura3D的开发者们没有清晰地指出他们正在使用的VS和Fortran版本。于是安装了低版本VisualStudio 2019，安装完成后，试图通过改进oneAPI的安装把oneAPI集成到VS中，不过结果发现这种方法是徒劳的，oneAPI并没有集成到VS 2019中，可能的解决方法是完全卸载掉oneAPI，然后重新安装。

3 低版本编译成功

鉴于上述高版本VS和oneAPI不能编译目前的Anura3D.sln项目文件，在《计算岩土力学》的2群内询问了是否有人正在使用Fortran，很快就有不认识的群友给予了反馈。他使用的是VS 2015, 集成的Fortran编译器是旧版本的Intel Visual Fortran，他帮助编译了Anura3D.sln，最后生成了动态链接库A3DLinearElasticity.dll和执行文件Anura3D_2023.exe。在Anura3D的项目中，其实还有其它几个本构模型，但不知为啥没有编译。Anyway，在此非常感谢这位网友的热心帮助，完成了测试。

4 GID集成Anura3D

Anura3D本身没有前处理器，它使用了GID前处理器，于是安装了GID V14.0.1, 安装完成后，才发现Anura3D_2023需要GID 14.1.8d或以上的版本，于是安装了GID的最新版本V16.0.6。

为了把Anura3D作为插件安装到GID中，需要把Anura3D_2023.gid目录加入到GID的problemtypes目录中，在Anura3D_2023.gid目录下，把先前生成的dll文件和Anura3D_2023.exe分别拷贝到dll和exec目录中。运行GID，Anura3D出现在GID的菜单中，如下图所示。

在GID进行前处理后，使用命令Generate Anura3D Files命令进行计算，产生的结果在Paraview【ParaView在ADONIS, Plaxis, FLAC3D和3DEC中的应用】中查看。

5 物质点法(MPM)简介

物质点法(MPM)是一种用于模拟固体、液体、气体和任何其他连续体材料行为的数值技术，它是模拟多相（固-液-气）相互作用的一种稳健的空间离散方法。在MPM中，一个连续体是由一些小的拉格朗日元素描述的，称为 "物质点"。这些物质点被背景网格包围，该网格仅用于计算梯度项，如变形梯度。与其他基于网格的方法，如有限元法(如Abaqus)、有限体积法(如FLAC3D)或有限差分法(如3DEC)不同，MPM不是基于网格的方法，而是被归类为无网格/无网格或基于连续体的粒子方法，其中的例子是平滑粒子流体力学(SPH)和过动力学(Peridynamics)。尽管有背景网格的存在，但MPM并没有遇到基于网格方法的缺点（如大变形纠结、平移误差等），这使它成为计算力学中一个有前途的强大工具。

MPM最初是由新墨西哥大学(University of New Mexico)的Deborah L.Sulsky教授、陈振教授和Howard L.Schreyer教授在1990年初提出的，是PIC {Particle-in-Cell}的方法的进一步扩展以及在计算固体动力学中的延伸。在这一初步发展之后，MPM在美国一些国家实验室以及新墨西哥大学、俄勒冈州立大学、犹他大学等和世界范围内都得到了进一步的发展。MPM已经在岩土边坡和隧道稳定性研究中得到了应用.