數值模擬一般用什麼軟體

原創 周杰 模擬秀 今天

三維TBM盤形滾刀破巖模擬

作者 | 周杰 上海同濟大學研究生

首發 |

模擬秀公眾號（ID：fangzhenxiu2018）

導讀：

從本科到研究生，我與MatDEM接觸已經快三年了。一直以來也沒想過總結，這次藉助模擬秀平臺MatDEM公開直播之前，分享一下我學習MatDEM的經歷與感受。

一、我為什麼要使用MatDEM？

首先，我為什麼要使用MatDEM？市面上有很多數值模擬軟體，這些軟體是

我們小碩吃飯的工具

，我本科的時候就接觸過有限元軟體（沒想到碩士搞起了離散元），有限元軟體的優點之一就是快。

做學術啥都要快，做實驗要快，

寫論文也要快（

快到讓我難以企及）。做模擬當然不能慢了，但是作為搞岩石的

（TBM滾刀破巖是我的研究方向）

，在模擬裂隙發展、岩石破碎這方面，有限元不如離散元。

眾所周知，現在通用的商業離散元軟體如PFC、UDEC和Yade等，很大的弱點就是慢，一慢起來，就跟咱們搬磚人員的意願背道而馳了（雖然搞科研也不能心急，也需要慢工出細活），因此

高效能的離散元軟體就勢必需要開發突破

。

這時候MatDEM就出現我面前。

高大上的圖示

二、MatDEM最大優勢在哪？

MatDEM是南京大學劉春老師

自主創新研發的離散元軟體

，是我心目中的

國產軟體之光

，具體的資訊可以去MatDEM官網查詢，也可以在模擬秀官網和APP搜尋檢視。歡迎大家點選學習國產模擬軟體計算速度超美國30倍？80後南京大學博士：向全國免費開放使用。

筆者認為，MatDEM最大的優勢在於

創新的矩陣離散元計算法和三維接觸演算法，

這大大提高了計算速度，尤其適合於三維模型的模擬。比如我用教研室的工作站（GTX1080Ti）計算一個20萬單元模型的動態過程模擬，也只需要1天左右的時間，U1S1，這樣的效率已經很高了。

MatDEM計算速度對比

MatDEM軟體基於Matlab開發，操作介面也很簡潔，

主要操作介面是程式碼視窗，把程式碼拿來咔咔往上懟就完事了（也可以使用互動介面進行基礎的試驗，現在更支援自己開發UI，用於專業的應用）。因此對於熟悉Matlab操作的同學來說，很容易上手。

三、0基礎學離散元基本原理

而對於沒有基礎的同學來說也不要怕，

劉老師專門建立了qq群和微信群，

有啥問題直接往群裡甩，老師和同學都會熱心解答的。為了讓同學更快上手，劉老師甚至開了Matlab的課程。

我在學習的過程中，就不斷的向老師和同學請教。當時去南大開學術會議見到了劉老師，此後劉老師來同濟講座的時候又專門跑過去向劉老師請教，劉老師人很nice。

當然向老師請教的前提是掌握了MatDEM基本的知識，如離散元基本原理、最重要的平衡函式以及材料賦予等等。

瞭解軟體原理和結構會節約很多學習時間

。

MatDEM交流群

四、我與MatDEM開發者並行搞科研

高速計算

、

容易上手

等是MatDEM很大的優勢，但真正讓我堅持使用它來

搞科研的是豐富的二次開發功能

。例如我的三維TBM盤形滾刀破巖模擬（見下圖）

劉老師雖然是軟體的開發者，但不是對所有領域都擅長的。使用者需要在鞏固基礎學習後，開始使用軟體內建函式，藉助參考書籍、幫助檔案、教學課程等幫助，獨立編寫用於自己研究的程式碼。

以我做滾刀破巖為例，MatDEM中有內建的滾刀破巖例子，我就是在這基礎上改寫的（

很多岩土工程領域的研究內容都會在內建示例中找到已有模型，方便二次開發

）。破巖示例檔案只是簡單的讓滾刀轉動切割起來，但怎樣提高整體的計算速度？滾刀被設成牆單元怎麼算滾刀力？裂隙怎麼佈置？等等，都需要自己進行編寫改進，都需要自己不斷地學習嘗試。

期間劉老師也幫助我解決了很多問題，每次自己撓頭不知道該怎麼繼續的時候，就跟導師討論，軟體方面的內容便請教劉老師。在這裡我也建議大家，在做模擬的時候不要糾結於模型為何怎麼調都不對、都不行，這時候要跳開這個坑，

從本質上去思考出現錯誤的原因

，不能陷入調模的過程無法自拔。

滾刀破巖模擬

其實在學習的過程中，尤其是數值模擬這塊，成熟的商業固然較好，但是很多時候會處於獨自摸索的狀態，雖然會有很多（或很少）網上資源課程可以學習，但是我們也僅是使用者而已，況且無論是軟體本身還是學習資料都需要money的。

而對於MatDEM來說，我們可以做到直接和

開發者

聯絡，使用過程中遇到的任何問題都是有源可尋的，而且當我們熟練使用後，

即可開發自己的模型，為MatDEM軟體的廣泛應用做出自己的貢獻。

來自MatDEM官方案例：Mixing particles in a roller (滾筒中攪拌顆粒），

透過二次開發功能建立滾筒和顆粒，滾筒為牆單元，旋轉滾筒以攪拌顆粒。模型總72289個單元，其中38433個活動單元。滾筒直徑2米，轉速60度和120度每秒，轉60度計算耗時12分鐘。

速度為120度每秒時的結果

速度為60度每秒時的結果

更精細的模型，單元半徑5mm，總單元413291，活動單元數262384。

最重要的是軟體完全

免費！免費！免費！

（重要的事情說三遍）官網上不斷更新最新版本（也可以在模擬秀官網或APP下載），大家再也不用苦苦去找資源啦。

學習資料，如軟體原理文件，操作教程以及模擬秀教學官方教學影片大量免費的

，此處強烈推薦劉春老師的著作《

地質與岩土工程矩陣離散元分析

》，對學習MatDEM很有幫助。

哦對了，劉老師還聯絡了企業提供

獎！學！金

！資助和鼓勵大家學習本軟體。（很榮幸拿了兩次MatDEM獎學金，感謝劉老師），這樣的福利不可多得啊。溫馨提示：在模擬秀官網或APP學習MatDEM任何人都可以申請MatDEM獎學金。

五、直播-利用MatDEM來定製專業的離散元軟體

對了，還有一個好訊息告訴大家，

5月7日明晚20時，《畢業在季，拒絕代寫》

第四期公開直播，我們將邀請

南京大學劉春博士

會做客模擬秀直播間

，

為大家帶來一場

《利用MatDEM來定製專業離散元軟體》

專題講座。講課的內容包括：

離散元的多場數值模擬，離散元的流固耦合模擬和2D hydraulic fracturing(二維水力壓裂)

等乾貨知識。

2D hydraulic fracturing(二維水力壓裂)

有興趣的學員可以掃描下方海報的二維碼進入直播間報名參與，同時大家亦可掃描

下方微信群二維碼進入劉老師MatDEM討論微信群

。

特別注意：群滿200人請加小助手微信 fangzhenxiu999

劉春博士 碩士生導師 ，南京大學地球科學與工程學院副教授，

模擬秀專欄作者，2012年博士畢業於南京大學，後在斯坦福大學開展博士後研究。2014年始任南京大學副教授。

目前擔任南京大學大地探測與感知研究院副院長，

主持高效能計算方面研究工作。主持和參與9項國家自然科學基金專案研究；出版專著1 部《地質與岩土工程矩陣離散元分析》；發表學術論文60餘篇，包括24篇SCI論文，其中3篇第一作者論文發表於JGR-Solid Earth；1篇為ESI高被引論文；論文SCI他引共692次；已申請和獲得國家發明專利20餘項，PCT國際專利2項，軟體著作權6項；

2016年獲中國地質學會工程地質“谷德振青年科技獎”；

2016年入選中國科協“青年人才託舉工程”；2019年入選江蘇省第十六批“六大人才高峰”高層次人才選拔培養資助計劃；

2019年，自主研發的高效能離散元軟體MatDEM獲“中國數字模擬自主軟體創新獎”

，由中國力學學會和中國計算機學會等頒發；目前擔任中國岩石力學與工程學會青委會副主任，《隧道與地下工程災害防治》期刊編委等職務。

作者：周杰 上海同濟大學研究生

宣告：原創文章，

本文首發模擬秀公眾號（ID：fangzhenxiu2018），本文已經被授權，部分圖片源自網路，如有不當請聯絡我們，歡迎分享，禁止私自轉載，轉載請聯絡我們

點選下方閱讀原文檢視劉春博士主講的《MatDEM多場和流固耦合數值模擬11講》

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