国产高性能离散元软件MatDEM的研发与应用

刘春; 杨泽荣; 刘辉

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20250326001

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国产高性能离散元软件MatDEM的研发与应用

“防灾减灾工程高性能计算方法（HPC）”专题 | 更新时间：2025-12-12

- 国产高性能离散元软件MatDEM的研发与应用
- Development and Application of Domestic High‑performance Discrete Element Software MatDEM
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第5期页码：997-1004
- 作者机构：
  
  南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210023
- 作者简介：
  
  刘春（1984—），男，教授，博导，博士。主要从事计算工程地质方面的研究。E-mail:chunliu@nju.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2023YFC3707900);国家自然科学基金项目(42222707;42477211)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20250326001
  中图分类号： P642
- 收稿：2025-03-26，
  
  修回：2025-04-07，
  
  纸质出版：2025-10-28
- 稿件说明：
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刘春,杨泽荣,刘辉.国产高性能离散元软件MatDEM的研发与应用[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):997-1004.

LIU Chun,YANG Zerong,LIU Hui.Development and Application of Domestic High‑performance Discrete Element Software MatDEM[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):997-1004.
刘春,杨泽荣,刘辉.国产高性能离散元软件MatDEM的研发与应用[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):997-1004. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250326001.

LIU Chun,YANG Zerong,LIU Hui.Development and Application of Domestic High‑performance Discrete Element Software MatDEM[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):997-1004. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250326001.

摘要

离散元法（DEM）能够有效模拟岩土体的非连续性与大变形破坏过程，在工程领域具有广泛的应用前景。然而，离散元法在工程应用中面临三大核心挑战：精确建模难度大、多场耦合理论不完善以及计算效率低下。针对这些问题，国产高性能离散元软件MatDEM实现了以下创新突破：基于岩土体跨尺度建模方法与离散元宏微观转换公式，开发了离散元材料自动训练技术，显著降低了精确建模的复杂度；提出了离散元孔隙密度流法，实现了多场、流固耦合与溶质运移一体化数值模拟；采用原创的矩阵离散元计算法，高效处理数百万颗粒的大规模数值模拟。目前，MatDEM已集成前处理、求解、后处理及扩展模块等核心功能，形成了完善的软件生态系统。经过十余年的持续研发与优化，软件已成功应用于地质灾害、岩土工程、矿业工程及油气开采等领域。未来，将通过持续深化软件的工程场景适配能力，为我国防灾减灾与工程设计提供强有力的技术支撑。

Abstract

The discrete element method (DEM) can effectively simulate the discontinuity and large-deformation failure processes in geotechnical materials

holding broad application prospects in the engineering field. However

the DEM faces three major challenges in engineering applications: great difficulty in accurate modeling

incomplete multi-field coupling theory

and low computational efficiency. To address these issues

the domestically developed high-performance discrete element software

MatDEM

has achieved the following innovative breakthroughs. Based on cross-scale modeling methods and DEM macro-micro conversion formulas for geotechnical materials

an au-tomatic training technology for discrete element materials is developed

significantly reducing the complexity of accurate modeling. A discrete element pore density flow method is proposed

enabling integrated numerical simulations of multi-field

fluid-solid coupling

and solute transport. By adopting an original matrix-based discrete element algorithm

it efficiently handles large-scale numerical simula-tions involving millions of particles. Currently

MatDEM integrates core functions such as pre-processing

solving

post-processing

and extension modules

forming a complete software ecosystem. After more than a decade of continuous development and optimization

the software has been successfully applied in fields such as geological disasters

geotechnical engineering

mining engineering

and oil and gas extraction. In the future

by further enhancing the adaptability of the software to engineering scenarios

MatDEM will provide strong technical support for disaster prevention

mitigation

and engineering design in China.

关键词

Keywords

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