刘春：突破“卡脖子”技术，打造有核心竞争力的高性能离散元软件

2019 年 6 月 29 日 科学出版社

目前，国内的工程数值模拟软件市场绝大部分被国外商业软件占领，国家每年耗费大量的资金购买和使用这些软件，缺乏“卡脖子”技术的核心竞争力。高性能离散元软件MatDEM 软件的成功研发和应用显著提高了我国在离散元软件方面的核心竞争力！我衷心地期待，刘春博士能够再接再厉，持之以恒，不断完善软件的功能和提高软件的质量，形成具有完全自主知识产权和国际竞争力的高性能离散元软件，服务于国家重大需求和全人类的科学技术进步！

施斌

2019 年4 月于南京

刘春（前排居中）研究团队

刘春，南京大学地球科学与工程学院副教授，硕导；长期从事计算工程地质领域的研究，包括离散元法理论研究和系统研发、岩土体多场耦合和宏微观机制、工程地质应用研究；2012年毕业于南京大学，后在美国斯坦福大学从事博士后研究；主持和参与了7项国家自然科学基金项目研究，已发表23篇SCI论文，论文SCI他引455次；其中，以第一作者发表SCI论文11篇，包括3篇发表于地球科学顶级期刊JGR-Solid Earth；已申请和获得国家发明专利13项，软件著作权5项； 2016年获中国地质学会工程地质“谷德振青年科技奖”；2016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。

地质与岩土工程领域的很多问题都涉及大变形破坏，应力、水分和温度等多场耦合作用，如滑坡灾害、地面沉降、隧道开挖和页岩气水力压裂等。实验和现场研究能很好地认识这些问题，但具有花费大、周期长和实现难的特点。计算机数值模拟技术是分析和认识这些问题的一种高效和可重复的手段。其中，离散元法（DEM）通过堆积和胶结颗粒来构建模型，能有效地模拟岩土体的非连续性、不均匀性和大变形破坏，在地质、岩土工程和能源开采等领域具有非常广泛的应用价值。

▲ 线弹性模型示意图

离散元法通过堆积和胶积一系列具有特定力学性质的颗粒来构建岩土体模型。

自1979 年离散元法的第一篇论文（Cundall and Strack，1979）发表于Geotechnique 以来，其已被引1 万余次，为目前岩土领域被引次数最高的论文之一。近年来，随着大规模复杂工程建设的增加和计算机技术的提高，离散元法在工程领域得到越来越多的关注。但是，离散元法应用于工程实践还面临着三大问题：①离散元法计算量巨大，计算单元数通常在10 万单元以内，极大地限制了其工程应用；②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。

▲ MatDEM启动界面

在前人研究的基础上，作者从零开始研发了高性能的离散元软件 MatDEM（Matrix DEM，即矩阵离散元），围绕着这些问题，以大规模化、通用化和工程应用为目标，开展了一系列工作：①针对计算量巨大的问题，采用原创的矩阵离散元计算法，软件实现了数百万单元的离散元数值模拟，将逐步完善由试样尺度到工程尺度的应用；②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；③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。

▲ MatDEM二次开发示例

基于常用的MATLAB 语言，MatDEM 提供了强大的二次开发功能，可以方便地构建适用于各类问题的数值模型。通过与专家学者的合作开发，不断地促进软件的通用化和专业化。目前，软件可以模拟大多数的地质和岩土工程问题。在各领域专家的帮助和支持下，作者制作了20 余个应用示例，包括离散元试验、动力作用、边坡与滑坡、岩土工程、多场耦合等，取得了良好的初步应用。为了更好地提供支持服务，我们建立了MatDEM 网站http://matdem.com。基于网站访问数据，软件已提供六种语言支持。在专家的建议和支持下，作者撰写了这本中英文教材《地质与岩土工程矩阵离散元分析》，中文版由科学出版社出版，英文版将与Springer出版社联合出版。本书配有相应的教学视频，软件和教学视频均可从MatDEM 网站获取。

▲ 地质与岩土工程矩阵离散元分析

刘春著. 北京：科学出版社，2019.6

本书分为两个部分，第一部分为基础篇。第1 章简要介绍离散元法的基本原理、计算方法和工程应用前景。关于离散元法的系统理论和计算方法，可参阅《颗粒物质力学导论》（清华大学孙其诚和王光谦著）以及《计算颗粒力学及工程应用》（大连理工大学季顺迎著）等专业书籍；关于离散元的连续-非连续理论、接触模型和宏微观理论，可参考中国科学院力学研究所李世海研究员、同济大学蒋明镜等专家的相关论文和专著。第2～5 章主要介绍MatDEM 的基本结构和功能，以及建模过程和后处理功能。软件中的数据以面向对象的方式来组织，所有计算数据均可在软件中查看、编辑和保存，导入和继续计算。在基础篇中，详细地介绍了矩阵离散元计算法的基本过程、数据组织形式和意义，以及单元、连接、组、材料和荷载的概念和使用方法。特别地，MatDEM 提供了商业软件标准的后处理模块，可以方便地生成数十种图件，以及生成模拟过程的GIF 动画。通过阅读这些内容，可以很快地掌握离散元法的基本原理和软件的使用方法。

▲ 陨石撞击地面过程图（StressZZ）

第二部分为实践篇。第6 章主要结合桩土作用、隧道建模和盾构滚刀破岩三个示例，详细地介绍MatDEM 的建模和数值模拟的常规步骤，建议在阅读完此章节后，再阅读实践篇的其他章节。第7 章以直剪、扭剪试验和真三轴试验为例，重点介绍通过函数来构建部件，并拼合整体模型，以及如何建立三维复杂裂隙和节理。第8 章以三维滑坡建模为例，介绍如何利用数字高程数据构建复杂的三维模型。第9 章介绍动力作用数值模拟，包括陨石撞击地面、矿山斜坡爆破和地震动力作用。第10 章介绍高级的自定义参数和二次开发功能，实现了地面沉降、微波辅助破岩、能源桩热力耦合等复杂的多场耦合过程数值模拟。第6～10 章由简单到复杂，共介绍了13 个应用示例。通过修改和综合应用这些示例，可开展各类地质和工程问题的数值模拟，并辅助分析和解决各类科研与工程问题。

▲ 数值试验室对应于user_3AxialNew二次开发示例

基于二次开发代码生成的MatDEM离散元实验室，可用于岩土体宏微观研究。目前已提供单轴压缩，侧限压缩，直剪，扭剪，常规三轴和真三轴等试验的数值模拟功能。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(目前最快达到2000万次)。

离散元法理论研究、系统研发和应用是一条非常漫长和艰辛的道路。在MatDEM 软件的开发和本书的撰写过程中，得到了很多专家学者的帮助和指导。软件公开下载一年以来，数百名专家学者和研究生参与了软件的测试和应用，不断地提高了软件的通用性、易用性和专业度。在此表示衷心的感谢！

本书的研究内容得益于南京大学施斌教授负责的国家自然科学基金重点项目“基于分布式感测的多场作用下土体结构系统变形响应和灾变机理研究”（41230636），以及国家自然科学基金中德合作项目（41761134089）、国家自然科学基金青年项目（41302216）、中国科协青年人才托举工程（2016QNRC001）、江苏省自然科学基金项目（BK20170393，BK20130377）、青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金项目（QNLM2016ORP0110）、苏州市科技计划项目（SYG201614）等项目的资助。本书研究工作得到南京大学地球科学与工程学院、南京大学地球环境计算工程研究所和南京大学大地探测与感知研究院的大力支持。作者还要特别感谢中国岩石力学与工程学会在软件培训和推广应用上的大力支持。

刘春

2019 年2 月18 日于南京

本文摘编自《地质与岩土工程矩阵离散元分析》（刘春著. 北京：科学出版社，2019.6）一书“前言”，有删减，文中插图来自该书正文、MatDEM 网站，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-061566-4

责任编辑：周丹高慧元

离散元法能有效地模拟岩土体的非连续性、不均匀性和大变形破坏，在科研和生产实践中具有广泛的应用价值。基于原创的矩阵离散元计算方法，作者从零开始研发了高性能离散元软件MatDEM，实现了数百万单元的离散元数值模拟。本书在介绍离散元法基本原理和算法的基础上，详细介绍了MatDEM 软件的基本结构、建模方法、数值计算过程、后处理和系统函数；以及在地质和岩土工程领域的应用示例，包括基本岩土工程问题、离散元试验、三维滑坡、动力作用和多场耦合作用等。本书配有相应的教学视频，软件和教学视频可由以下网站获取：http://matdem.com。本书可供地质、岩土、水利、土木、矿山、物理等领域的科研和工程技术人员，以及高等院校高年级本科生和研究生参考使用。

（本文编辑：刘四旦）