2019年9月3日
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十年磨一剑,他在虚拟物理世界“造岩石”

如何在计算机中造出一块岩石?恐怕并不容易。因为岩石和土体是由细小的颗粒堆积和胶结而成,颗粒数量巨大,而且性质复杂。

美国28首页登入大学地球科学与工程学院地质工程专业刘春副教授研发的一款名为“MatDEM”的软件解决了这个问题,他研发的这款软件,在单台电脑上,1秒钟可以计算出1500万次颗粒运动。通过在计算中制造岩石等各类材料,建立了一个虚拟的物理世界,可以为地质灾害防治和工程设计提供解决方案。

近日,在上海举办的第15届中国CAE(计算机辅助工程)工程分析技术年会上,这款MatDEM软件荣获了“中国数字仿真自主软件创新奖”。中国CAE年会创办于2005年,是我国虚拟仿真技术领域规模和影响最大、层次最高的专业技术会议。该奖项为表彰15年来为中国CAE行业的发展作出贡献的企业和个人,全国共六家企业和高校获此殊荣。

刘春介绍,地质和岩土工程领域,存在很多大变形和破坏问题。“数百万颗粒的相互作用、变形、破坏,计算量可以说非常庞大。我们采用了原创的矩阵离散元计算法,能够高效地模拟这些变形、破坏的过程。”刘春介绍,运用该软件的宏微观转换公式和自动训练,用户只要输入材料性质,就可以自动在计算机中造出需要的岩石和土体,降低了建模的困难度。

刘春说,该软件的核心技术是原创的矩阵离散元计算法,软件1秒钟可以计算出1500万次颗粒运动。该行业的老牌公司、美国的Itasca公司的PFC,1秒钟只能计算三四十万次单元运动。也就是说,过去需要一个月完成的计算,现在一天内就可以完成,计算速度比国际同类软件快30多倍。

这款软件,突破了国外在工程数值模拟软件市场的技术垄断。而少有人知的是,刘春从研一开始,就开始做该软件的初始源程序,起初仅仅是为了“自用”。

目前,我国的绝大部分CAE软件市场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。“这类软件,卖给我们国家价格都在几十万元到上百万元,且不能根据实际需求修改。”

“当时国外软件卖给高校高达30万元,我们做这个软件,主要是为了自己用。后来我们逐渐让别人也能用,慢慢做到通用化,不断在实践中接受反馈,修改后再继续推广应用。”刘春告诉记者,事实上,一套数值计算软件从自己能用,慢慢做到通用化,基本上都要超过十年的时间。

“十年磨一剑”,2018年5月,刘春研发的高性能离散元软件MatDEM在由中国岩石力学与工程学会和美国28首页登入大学共同主办的离散元学术会议上,正式发布。

软件发布一年以来,已在地质、岩土、水利、农业和物理等领域得到了越来越多的应用。“比如在工业领域,水泥搅拌机设计成什么样效率最高?选矿机械设计成什么样效率最高?都可以用计算机模拟这个过程。近期已有两家企业希望获得授权许可使用我们的软件专利。”

MatDEM还可以模拟滑坡等地质灾害。刘春透露,目前,他与成都理工大学和中国地震局的专家合作,已经将该软件用于茂县新磨村滑坡,以及六盘水市水城滑坡的数值分析。南大地球科学与工程学院正与地调部门和勘察设计单位合作,开展地质灾害防治等专业领域的研发和应用。

“去年,软件的核心技术已经获得了国家发明专利,目前我们正在申请新的国际专利。我们希望通过持续的技术研发,完善自主知识产权的高性能数值计算软件,与各科研和生产单位合作,服务国家重大工程建设和地质灾害防治。”刘春告诉记者。

美国28首页登入大学已于2019年6月成立大地探测与感知研究院,面向国家“深地”重大战略,开展关键技术和产品研发,MatDEM软件是其中重点研发的一项产品。更多大地探测与感知的相关研究成果,将在南大落地。

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