mats在DOS下指令：mats軟件使用教程

一、導讀2019年9月11日，ANSYS公司公開宣稱：「收購LSTC公司，一舉獲得其旗下擁有LS-DYNA（結構&流體&電磁的多物理場求解器）、LS-PrePost（前後處理器）、LS-OPT/LS-TASC（參數優化/拓撲優化求解器）」。這是ANSYS公司繼2005年收購顯示算法為核心的CDI公司（旗下的AUTODYN、ASAS、AQWA和AutoReaGas等軟件工具）後的又一世界頂級CAE產品的收購。

這種「顛覆性重生，破壞性併購」，已經伴隨了50多年的仿真軟件CAE的發展史。軟件大鱷們在不斷併購，造就了今天ANSYS、西門子、達索、MSC、奧汰爾和ESI等商業軟件在國內馳騁江湖，諸侯爭霸的局面。

而國產軟件的發展歷史，正如知識自動化的林雪萍老師所寫：

中國軟件失落的三十年，這裡的黎明靜悄悄。但是，我們還是能看到，總有一些軟件、總有一波人在堅持，例如正視自身，篤定前行，國產CAE軟件JIFEX的前世今生。

隨着「中興事件」的爆發，國人開始對自主核心技術的焦慮和思考。而國產cae軟件得到了國家前所未有的關注和重視。今天就讓我們來認識一款國產土木行業CAE軟件-高性能離散元軟件MatDEM。

二、高性能離散元軟件MatDEM
矩陣離散元MatDEM軟件的英文含義是Fast GPU Matrix computing of DiscreteElement Method。軟件名取其核心Mat和DEM，即矩陣離散元MatDEM。MatDEM基於矩陣離散元法，計算迅速，其為整個軟件的基礎與核心。

MatDEM採用創新的GPU矩陣計算法和三維接觸算法，實現了每秒1400萬次三維單元運動計算(二維4000萬)，計算單元數和計算速度達到了國外商業軟件PFC的30倍(150萬單元)。

軟件實現了自動堆積建模，分層賦材料，節理面和荷載設置，豐富的後處理功能和二次開發等。研究生通過簡單學習即可完成地質和岩土工程大規模離散元模擬。

三、MatDEM模塊有哪些？MatDEM軟件目前包括四個主模塊。

1、MatDEM主程序(Main):基於Matlab語言，提供完善的二次開發功能。可修改已有的標準示例，通過命令建立複雜的離散元模型。已提供滑坡，岩爆，撞擊作用，樁土作用，滾刀破岩等一系列示例。每個模擬通常包括三個文件，一百多行的代碼。

MatDEM採用完全面向對象的方式來組織數據，且數值模擬過程中所有數據均可隨時查看。同時，導入保存的數據可以繼續計算。

具有完善的後處理功能，包括數十種圖件的自動生成，動畫製作等。

2、MatDEM模擬箱(Box)：可建成各類地質和工程模型，如地質災害、構造過程、隧道開挖等。包括「幾何建模」，「材料設置」，「數值計算」，「結果顯示」四部分。這個模塊對應着主程序中二次開發代碼user_BoxModel1-3三個文件。為說明方便，採用3萬單元三維模型進行演示。具體介紹如下：
① 幾何建模: 自動生成一定粒徑分佈的顆粒，並堆積和壓實。通過團簇模型建立不同形態的顆粒。通過可重疊的壓力板施加真三軸圍壓。

② 設置材料: 目前岩土體離散元的接觸關係和微宏觀模型還需要進一步的深入研究，是非常好的研究課題。

③ 分組賦材料: 通過導入Excel表中的折線圖來切割劃分不同的層和組，並賦相應材料力學性質。

④ 連接編輯: 通過導入Excel表中的折線圖來設置裂隙、節理和軟弱面等。

下圖為3萬單元二維模型和節理面。顆粒單元未顯示，僅顯示膠結連接。綠色線段代表膠結，空白為節理。

⑤ 荷載和計算: 按組施加荷載，包括體力(重力)，鎖定坐標(自由度)，初速度，位移和應力邊界等。通過二次開發命令集定義複雜的荷載和時間過程，完成數值模擬。

自動選擇CPU計算和GPU計算。採用的GPU是四年前的產品。採用創新的離散元矩陣計算法，單顆GPU的速度達到了CPU的30倍(目前70倍)，可實現大規模離散元模擬。

3、MatDEM試驗室(Lab)：MatDEM_Lab主界面，目前可實現常規三軸，固結和單軸壓縮試驗，進一步將增加扭剪和環剪試驗。用於研究岩土體的微宏觀力學性質。下圖中右下方命令行處可見，MatDEM每秒完成310萬次顆粒三維運動計算(目前已達到1400萬)。三維模擬單元數量上限150萬，二維450萬。這個模塊對應着主程序中二次開發代碼user_AxialNew1-3三個文件。

二維情況下，MatDEM每秒完成770萬次顆粒運動計算(目前2000萬+)。二維模擬單元數量上限500萬。

4、MatDEM後處理(Post-processing):提供非常完善的後處理功能，可自動生成各類場圖，過程曲線和模擬動畫(具體見程序幫助)。

四、MatDEM實例-滑坡與邊坡接下來，讓筆者為大家介紹一下，MatDEM能實現三維滑坡模擬。通過進一步添加水的作用，可研究滑坡在水熱力、固液氣等多場多相複雜條件下災變機制。

1、茂縣重大滑坡研究採用軟件：岩土體三維離散元模擬系統MatDEM計算環境：GPU工作站，GPU Tesla K20c根據高程數據和地層數據建立滑坡三維模型，建立具有和真實岩石類似性質的離散元堆積材料，模型包含28.6萬單元，模擬真實世界200秒，耗時2天。

滑坡過程演化過程中的位移場(計算耗時兩天，模擬真實世界200秒):

地震波和能量：

模擬地震波與實際近似。總體滑動約60秒。從左上圖可以看到，在20秒左右地震波最強，此時滑體正好通過刮鏟區。

2 滑坡示例模型長寬高為100*50*41米，包括32萬顆粒，設定性質為低強度弱膠結土體，模擬真實世界時間9秒鐘，計算耗時4小時。見軟件示例BoxModel。演示1: 位移圖，暖色代表高位移。可看到明顯的滑動面。

演示2: 滑坡熱量分佈切面圖。在滑帶上產生大量熱，這種熱很可能會加劇滑坡的災害作用(降低抗剪強度、有效應力)。

演示3: 滑坡熱量分佈切面圖。前後邊界上有摩擦熱，在中心區域滑帶熱明顯。

演示4: 暗紅色為軟弱地層，滑帶沿軟弱層啟動發展，並侵蝕滑床。

演示5: 暗紅色為軟弱地層，滑帶沿軟弱層啟動發展，並侵蝕滑床。

圖6: 能量轉化曲線。滑坡重力勢能轉化動能，動能上升後又返回零，機械能轉化為熱，系統能量守恆。

圖7: 系統熱量生成圖。絕大多數熱量是由於摩擦產生(Slipping)。

3、滑帶摩擦生熱模擬利用離散元模擬系統MatDEM模擬了滑坡滑動過程中熱量場的分佈。在滑動過程中滑體與滑床劇烈摩擦產生大量熱量，這些熱量會產生熱壓力並且改變岩土體的性質，加速滑動過程，這一現象很可能是促成高速遠程滑坡的誘導因素。建立一個包含220000單元的220 m×120 m二維邊坡模型，模型中含有兩種地層，中間為軟弱層。

圖1

邊坡輪廓(2000單元)模擬採用GPU工作站（Tesla GPU K20c）進行滑坡過程計算，模擬了真實世界12s的滑動過程，計算耗時約6.5h。

圖2

第1s、第6s、第12s的速度場分佈圖和顆粒連接狀態圖可見，坡腰中下部和坡腳處產生明顯的熱量區，由於土體破壞滑動產生斷裂熱和摩擦熱。同時，軟弱夾層由於滑動剪切作用也產生了明顯的熱量，並形成了明顯的核形的熱量帶。

圖3

滑坡模型滑動過程中1s、6s、9s、12s的熱量分佈圖初步探究了不同高度的邊坡與熱量帶熱量峰值、熱量總值的關係

圖4

在12S時，50m、100m、150m、200m高度的滑坡熱量場分佈圖

五、千人直播-離散元的多場和流固耦合方法

2019年11月15日（周五）20時，我們將邀請南京大學地球科學與工程學院副教授、碩士生導師劉春博士 在仿真秀超級話題第8期《國產CAE的涅槃-岩土行業高性能離散元軟件MatDEM》首播離散元的多場和流固耦合方法，敬請期待。1、講課大綱

• 高校工業軟件的昨天和今天
• 岩土行業高性能離散元軟件MatDEM
• 離散元的多場和流固耦合方法
• 互動答疑

2、講課嘉賓劉春博士 南京大學地球科學與工程學院副教授 碩士生導師長期從事計算工程地質領域的研究，包括離散元法理論研究和系統研發、岩土體多場耦合、工程地質應用研究；2012年畢業於南京大學，後在美國斯坦福大學從事博士後研究；主持和參與了8項國家自然科學基金項目研究，已發表24篇SCI論文，以第一作者發表SCI論文11篇，包括3篇發表於JGR-Solid Earth；已申請和獲得國家發明專利13項，軟件著作權5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「青年人才托舉工程」；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。