发展工程数值分析软件

1. 发展工程数值分析软件 促进建设领域科技进步 吴梦喜，博士，高级工程师中国科学院力学研究所环境力学实验室ttp://lwpy.imech.ac.cn/linke/index.html

2. 内容提要 1 数值分析软件的国家需求 2 我国工程数值分析软件现状 3 发展数值分析软件的机遇 4 利科软件的构想与开发进展 5 展望

3. 1 数值分析软件的国家需求 • 1993年8月27日，青海省海南藏族自治州共和县境内的沟后水库发生溃坝，冲毁大片农田、房舍、铺面，死亡300余人，多人下落不明。 • 2003年7月1日，上海轨道交通4号线发生涌水涌砂事故，直接经济损失1.5亿元人民币。 • 2008年9月8日，山西襄汾发生尾矿坝溃坝事故，267人死亡。 • 2008年11月15日，杭州地铁风情大道工地发生塌陷事故，17人死亡，4人失踪。 • 2009年6月27日，上海市闵行区一在建13层住宅楼整体倒塌，周围楼宇也出现险情

4. 重大工程事故频发原因：设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。重大工程事故频发原因：设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。 • 我国是目前世界上土木工程发展最快的国家，重大工程规模宏大、数量众多、环境复杂是人类历史上前所未有的，土木工程合理设计与防灾减灾已经成为当今土木工程学科中最重要、最活跃和最具挑战性的研究领域。 • 数值分析软件是复杂工程中必不可少的辅助设计工具

5. 以水电行业为例介绍国家需求 两河口水电站工程

6. 水电站是一个复杂的工程系统 放空洞 深孔泄洪洞 后期导流洞 2条初期导流洞 土心墙堆石坝 “漩流竖井”非常泄洪洞 洞式溢洪道 引水发电系统 两河口水电站枢纽布置平面图

7. 大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析 两河口水电站坝体典型横剖面图 直心墙堆石坝最大坝高295m，坝顶宽度为16m，上、下游坝坡坡比为1:2.0、1:1.9。大坝填筑总量约4150万m3。 心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层。心墙顶宽为6m，顶高程2874m，心墙上、下游坡均为1:0.2。

8. 渗流、洞室布置与结构、边坡稳定性相互作用

9. 水电站工程是水流控制工程 双江口水电站 雅 大 嘉 岷 陵 金 渡 成都 砻 江 江 自贡 沙 河 重庆 江 乐山 两河口水电站 江 长 宜宾 江 瀑布沟水电站 西昌 锦屏一级水电站 溪洛渡水电站 攀枝花 二滩水电站

10. 上游工程的运行模式和风险直接影响流域下游

11. 大坝、地下厂房、隧道、公路边坡设计都需要大型数值计算软件大坝、地下厂房、隧道、公路边坡设计都需要大型数值计算软件 • 新建工程需要数值计算 • 发展水力发电是节能减排的需要 • 2020年我国水电装机要比现在翻一番,新建工程大多为复杂工程 • 已建工程的安全分析与管理需要数值分析 • 水库8万多座 • 堤防20多万公里 　我国对数值计算软件需求巨大

12. 2 我国工程数值分析软件现状 • 国外商业计算软件大举进入中国市场，让中国企业（高校）花费大量的财力物力。 • 我国各高校、科研院所、设计院都在大力采购国外的商业软件，花费大量的财力。据了解，美国ITASCA公司的FLAC3D软件在高校的价格是20万以上，离散元程序PFC3D在高校的价格是30万以上，比美国本土贵出1倍多，这还是所谓的“高校折扣价”。隔三差五出现的更新版本让很多中国企业（高校）花费大量的财力进行升级更新。 • 目前，很多高校宣传材料，将拥有国外流行的商业软件作为重要的软件实力，争相购买。而真正用好软件的单位不多。

13. 我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析领域。我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析领域。 • 我国的工程有限元分析从上世纪60年代起步，有很多单位编制了很好的计算程序，已经在工程中得到广泛应用； • 传统的计算程序没有友好的界面和方便的前后处理功能，应用不便； • 程序的功能单一，缺乏持续的维护和验证; • 计算速度慢，计算规模受到很大限制; • 正在逐渐退出岩土工程的数值分析领域； • 水利工程中自主软件依然是应用中坚，但商业化几乎空白，也面临退出市场的局面

14. 国际商业程序并非万能，很多程序并不适用于中国国情国际商业程序并非万能，很多程序并不适用于中国国情 • 通用有限元软件用于工程计算成本高，以Abaqus为代表，同类的还有Adina、Ansys等。通用程序设计时并非为工程专用，内容十分庞大，掌握这种程序至少要花费半年的时间摸索。 • 岩土工程计算程序，以FLAC和FLAC3D为代表，同类的还有Plaxis、GeoStudio等。但是对国外的岩土工程问题来开发的，并不完全适用于中国的国情。如没有我国惯用的和我们自主研发的本构模型，很多使用者都尝试过在商业程序中开发这些模型。这种工作一方面毫无创新，同时又会花费大量的时间去探索程序所提供的模型开发环境。 • 另外，国外商业程序所提供的土体参数建议值，都没有考虑到中国国情，很多参数实际上不适用于中国的工程问题。

15. 自主软件在我国水电工程中的作用 • 自主软件促进了水工的发展与技术进步 攻关计划、关键技术研究与软件的发展相互促进 • 自主软件依然是水工分析的主流 • 很多单位开发了软件,基本自用 • 功能：渗流场、温度场、应力场及其耦合，动力分析、边坡稳定安全系数分析 • 坝、隧道和地下厂房、边坡的分析大部分还是以自主软件为主。也借助商业软件（前后处理、二次开发、或直接应用） • 行业呼唤自主软件的发展

16. 3 发展数值分析软件的机遇 • 市场需求：复杂的工程问题需要 • 国家战略：软件是行业的核心竞争技术 • 社会环境：行业呼吁“民族软件”，打破“数值分析软件，中国人不行”神话 • 有利条件：工程部门支持，数学与交叉科学中心 • 基础：多年开发与工程应用成果，软件雏形 　中科院力学所与数学研究院作为国家队应该承担

17. 4 利科软件的构想与进展 • 目标：界面友好，交互能力强、可靠性高的岩土与结构工程分析软件 • 功能模块 • 渗流场 • 应力位移场（静力与动力响应） • 温度场 • 多场耦合 • 稳定安全系数

18. 为什么要做？ 关键：支持自主创新 水利水电的大开发和今后的维护管理需求巨大 国外软件的适用性不能完全满足我们的要求 我国在本构模型、计算方法等方面具有特点，核心技术并不落后 我国有软件开发的人才优势 自主软件是分析技术发展的平台，核心技术不能受制于人

19. 怎么做？ • 组织精干队伍 • 多单位分工协作，组织软件技术、水工、力学、数学等多学科背景，有志于CAE软件开发的人才队伍 • 资源共享 • 开源、部分免费，共享开发成果 • 开发与应用结合 • 开发工作结合行业需求进行 • 应用于重大工程，起示范作用

20. 关键问题与人才？ • 友好交互前后处理界面 • 计算机专业人才 • 可靠、稳定的计算模块 • 力学、工程、有限元结合的人才 • 高性能求解器 • 快速直接求解方法与求解器 • 高性能迭代求解方法与求解器 • 高性能优化方法

21. 开发进展 • 前后处理模块 • 开发一年多，现有开发人员4人，需要扩展队伍 • 计算模块有近20年的发展历程 • 渗流计算模块（已应用，基本成熟） • 静力应力变形计算模块（已应用，改进中） • 渗流应力变形耦合模块（已应用，改进中） • 稳定安全性计算模块（正在开发） • 动力响应模块（准备开发） • 温度场计算模块（准备开发）

22. 前处理与后处理 界面主窗口 主菜单 树形菜单 显示按钮 几何按钮 绘图区 版本: 简体中文 坐标系 不久将来 英文－中文双语 主输入 信息窗

23. 前处理与后处理 Step 1/5. Construct a geometry model From lines to regions Step 5/5 : Contours Map & cloud pictures Step 4/5. set boundary conditions and calculation settings, then calculate Step 3/5. Create seeds on line then generate mesh Step 2/5. Create Material then apply to regions and lines

24. 渗流模块 2D & 3D，稳定&非稳定、饱和&非饱和，土体&岩体 2D 瞬变排水试验 计算模拟与实测比较 瀑布沟、双江口、长河坝、硬梁包、毛尔盖、扎雪等多个工程的厂区和坝区渗流分析 2D 降雨入渗瞬变渗流

25. 应力变形模块 2D & 3D 3D 网格 心墙 • 特色本构： • 堆石料的解耦K-G模型 • 硬填料的并联本构模型 • 接触面特色：渗流与变形耦合接触面 瀑布沟、长河坝、茅坪溪、水布垭、引子渡等多个工程的大坝应力变形分析

26. 渗流应力耦合模块 2D & 3D Filling elevation 超孔隙水压力 孔隙水压力 计算模拟与理论解的比较 长河坝、上海洋山港码头已应用 拱坝坝基、软基固结、雾雨入渗边坡、边坡稳定等多方面都有耦合分析需求

27. 边坡稳定模块( 正在进行 ) • 2步边坡稳定分析 (强化的极限平衡法) • 独立的应力分析 • 优化技术 • 关键滑裂面性状 • 关键滑裂面的位置 • 假定 • 有限元计算得到的应力状态“导入”到极限平衡分析之中，其应力状态能够代表滑裂面处的实际情况。

28. 边坡稳定模块( 正在进行 ) (部分完成) • 考虑的因素: • 材料不同的本构模型 • 非饱和渗流作用 • 降雨入渗 • 固结过程 • 填筑开挖过程 • (已完成) Numerator: resisting shear strength Denominator: actuating shear stress 用强化的极限平衡法可以分析复杂条件下的稳定安全系数 Manners of “Importing Stresses” from a Finite Element Analysis into a Limit Equilibrium Analysis

29. 5 展望 • 国家提供支持 • 数学、力学、工程、计算机多方面人才结合，全力投入研发 一定能研发出适应我国行业需求的自主工程数值分析软件

30. 谢谢关注！ 期待合作！