5年！发展用户2500余人，国产高性能离散元仿真软件MatDEM

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导读：在中国岩石力学与工程学会的指导下，MatDEM软件于2018年在南京大学发布，通过五年多的发展，用户数已达2500余人，均使用超过4000人。并应用于三维滑坡、水力压裂和隧道开挖等一系列复杂问题的大规模数值模拟，其易用性和通用性得到了广泛的肯定。自2019年正式入驻仿真秀以来，《国产CAE的涅槃-岩土行业高性能离散元软件MatDEM》不仅在仿真秀组织了数十场专家讲堂，还有用户案例分享和答疑直播，更有丰富的MatDEM视频教程，赢得了用户的广泛好评。

仿真秀播放量高达10万+次

2023年10月20日 “第八次离散元法与MatDEM技术培训”在南京举办。MatDEM创始人南京大学刘春教授对外正式发布了MatDEM4.0版本，重点汇报了分层宽级配建模、振动信号的光纤监测模拟、MatDEM多体动力学联合仿真和平行粘结模型。进一步，通过理论创新、系统研发和培训推广，为国家岩石力学与岩土工程提供高效的数值模拟仿真技术支持。

11月29日，仿真秀2023国产工业软件专题月第一期技术讲座将邀请南京大学高性能离散元仿真软件MatDEM技术经理刘辉老师给我们带来《矩阵离散元软件MatDEM的基本原理与应用》报告，重点介绍MatDEM软件的新功能与新应用——振动过程仿真与多体动力学联合仿真等，详情见后文，欢迎报名和分享。

一、离散元原理与行业瓶颈

众所周知，离散元法能有效地模拟颗粒材料(如粉末、岩土体)的非连续性、不均匀性和大变形破坏,在岩土、采矿油气、工业制造等领域中具有广泛的应用价值。在离散元法中，通过堆积和胶结一系列具有特定力学性质的颗粒来构建岩土体模型。在最基本的线弹性模型中,假定颗粒之间靠弹簧来相互接触和产生力的作用。基于经典的牛顿力学,通过时间步迭代算法来计算颗粒的加速度、速度和位移。进而实现宏观岩石和土体的变形和破坏过程模拟。

随着岩石力学和岩土工程等领域研究和应用需求的不断精细化和复杂化，以及离散元法理论和数值计算软件的发展，可以预见，在未来十年，离散元法将在工程领域迎来巨大的发展机遇和应用前景。长期以来，离散元法应用于工程实践还面临着以下三大瓶颈问题：首先，离散元法通过堆积颗粒来建模,难以直接定义颗粒来构建特定的岩土体。其次，工程地质灾害中常常面临着多场耦合问题，而离散元法的相关理论未完善；最后，离散元法计算巨大,商业软件的有效计算单元数通常在10万以内,难以满足工程尺度数值分析的需求。针对这些问题，当前，软件在离散元理论、方法和应用方面取得理论和技术突破。

二、高性能离散元仿真软件MatDEM

经过十余年的理论研究和系统研发,南京大学刘春老师团队自主研发了高性能通用离散元仿真软件MatDEM。基于原创的离散元矩阵计算法和三维接触算法,软件突破性地实现了数百万颗粒的高效离散元数值模拟，将离散元分析由试样尺度推进到工程应用。软件支持自动材料训练，多场和流固耦合数值模拟，可实现复杂颗粒体系的数值模拟。

MatDEM软件已应用于国内外百余家院校单位的科研和工程设计中,如中国石化、延长油田、中国航天、华为公司、宁德时代、清华大学、同济大学和上海交通大学等。产品和相关技术获“中国数字仿真自主软件创新奖”,工信部工业App大赛“最佳行业创新应用奖”,科技部首届全国颠覆性技术大赛优胜奖,日内瓦国际发明展银奖，首届江苏专利银奖等。

1、MatDEM的6大软件特色

2、MatDEM件的6大主要功能

MatDEM拥有六大主要功能,每一个功能都旨在为用户提供全面且高效的离散元分析解决方案:

3、MatDEM软件发展历程

4、MatDEM软件获奖与成果

三、MatDEM软件应用与解行业决方案

截止到目前，MatDEM软件广泛应用于基础设施领域、建筑、石油天然气开采等领域的需求行业中,基于MatDEM软件强大的二次开发功能,其细分的具体需求应用层次可分为材料、农业、工业、岩土工程、地下工程、天体探索等。

1、滑坡与边坡

（1）茂县重大滑坡三维离散元模拟

基于茂县滑坡发生前后的三维数字高程数据，以及实测的滑坡岩石试样力学性质，建立起茂县滑坡大规模三维离散元模型模型包含28.6万单元,模拟真实世界200秒,耗时2天模拟了茂县滑坡启动、高速下滑和堆积的全过程。通过更换数字高程数据和岩石力学参数，可建立新的滑坡和崩塌模型。具体参见user_3DSlope示例：

（2）边坡的离散元蒙托卡罗数值

在MatDEM中并排100个边坡同时计算,共80余万单元,6天完成4万个边坡稳定性计算。通过优化,每2秒完成一个边坡稳定性计算。具体参见user_BoxMonteCarlo示例。

2、岩石破坏

（1）二维水力压裂模拟

采用新的离散元孔隙密度流法,MatDEM实现了水热力多场合。模型包括10408个颗粒和13567个初始孔隙。使用笔记本电脑计算,模拟耗时70分钟,模拟真实世界时间0.002秒。具体参见user_PoreHy-draulic示例。

（2）三维盾构滚刀破岩

盾构滚刀破岩数值模拟研究对完善破岩理论、分析工程案例具有重要作用，近年来成为备受关注的研究热点。利用MatDEM构建了包含78万颗粒的复合地层和盾构滚刀模型。具体参见user_BoxTBMCutter示例。

3、力学试验

MatDEM可进行各类室内常规土力学和岩石力学试验,包括单轴抗拉、抗压试验、侧限压缩、常规三轴等，用于研究岩土体的宏微观力学性质。

（1）直剪试验

利用基本的圆盘建模函数等，建立起试样盒各个部件的结构体(下试样盒、上试样环和上压力板)。在Box中拼合这些部件,建立起试样装置的离散元模型。具体参见user_BoxShear示例

试验模拟初始模型

锁定下试样盒和上试样环的单元坐标,锁定上压力板的xy坐标，对上压力板施加竖直向下的体力,以产生特定的压力,向右逐步移动上试样盒,实现直剪试验过程模拟下图给出试样过程中的位移场动画。

直剪试验模拟结果(位移场)

（2）直剪试验

重力沉积前后的初始模型，可以看到样品单元还在网格状排列，压力板和边界均向外延伸，并呈“井”字形。具体参见user3DJointStress示例

4、地下工程

（1）隧道和土体相互作用

模型真实世界过程来构建模型:建立隧道管的结构体，在地层模型中部挖除单元，导入隧道管，并重新做重力堆积，实现隧道管和土层的紧密贴合。在上表面中部8米宽区域施加递增的压力,产生不均匀沉降。隧道管的应力分布符合岩石力学所揭示的规律。具体参见user BoxTunnelNew示例。

（2）岩爆过程模拟

采用MatDEM建立岩爆离散元模型，上覆压力为10MPa,施加侧限。模型为三维的,把厚度设为0即为二维。当挖出隧道后，出现径向的应力梯度和环向的裂隙，破坏的岩块迅速飞向隧道内。具体参见user_BoxTunnel示例

5、天体探索

（1）陨石撞击地球

以陨石撞击地球为例,陨石撞击作用模拟的基本思路是先堆积地层生成地面，然后在地面之上一定距离建立圆形的陨石模型，赋予其一定的初速度，并撞击地面。具体参见user BoxCrash示例。

直径为50米的运势以每秒1公里的速度竖直向下撞击地面。地层模型大小为1000米*390米,单元直径1米,单元数约41万。模拟撞击时间0.3秒,计算耗时9小时。

陨石撞击地面应力场分布

（2）小行星运动和吸积模拟

MatDEM1.66引入万有引力计算,实现了行星运动、碰撞和吸积模拟。这个示例中建立了三个小行星，由大至小编号为1(大球),2小球),3(小长条)中心行星直径为80公里逃逸速度为116m/s。采用P51s笔记本电脑,使用CPU计算,模拟单元数为4600个,计算耗时100分钟模拟真实世界时间10个时。

6、软件示例

图 MatDEM的部分示例（源代码见软件）

图基于MatDEM软件发表论文展示

四、国产工业软件学习月

为了让关注自主工业软件行业的从业者们看到近几年国产工业软件取得的进展，也为了让一些有潜在需要的用户单位和工程师们更好地了解国产工业软件的能力，11月29日，仿真秀将2023国产工业软件专题月第一期技术讲座将邀请南京大学高性能离散元仿真软件MatDEM技术经理刘辉老师给我们带来《矩阵离散元软件MatDEM的基本原理与应用》报告，重点介绍MatDEM软件的新功能与新应用——振动过程仿真与多体动力学联合仿真等，详情见后文，欢迎报名和分享。

以下是讲座安排

2023国产工业软件应用（一）：矩阵离散元软件MatDEM的基本原理与应用-仿真秀直播