“基建狂魔的威力想必大家都有著親身感受，身邊各種高難度的公路、鐵路、橋樑與隧道建設都難不倒我國的企業，在這方面我們一直處於領先位置。”

“但你知道嗎？在這些重大工程專案的背後，幾乎都是透過工程軟體進行設計，它們才是背後的英雄。我們基於GPU的離散元軟體可以實現對國外軟體的替代，還帶來了幾十倍計算效率的提升”

這是南京大學地球科學與工程學院副教授劉春在HPC CHINA 2020新型工程模擬軟體高效能計算發展分論壇中演講的一段話，也從側面證實了基於新型超算體系架構下發展工程軟體的新路徑。

9月28日，“新超算、新基建、新經濟”為主題的HPC CHINA 2020大會在鄭州正式開幕，此次大會由中國計算機學會主辦，中國計算機學會高效能計算專業委員會、鄭州大學、鄭州航空港經濟綜合實驗區承辦，並行科技協辦。

與往屆不同，本屆大會採用線上線下結合的形式，透過雲端論壇、雲端展覽、雲端賽事、頒獎等多方案進行。

9月30日，新型工程模擬軟體高效能計算發展論壇以線上直播形式呈現，北京並行科技股份有限公司行業合作總監、高階工程師郭宇擔任主持，來自南京大學地球科學與工程學院副教授劉春、Altair中國流體銷售總監楊宇、舜雲軟體執行董事王溪、實雲軟體高階工程師張龍、達索軟體高階諮詢顧問餘柳平、適創科技CAE演算法工程師張子珂、ESI集團亞洲區域營運長Christopher St John等行業專家，帶來了依託新型超算體系結構下工業模擬軟體發展方面的精彩演講。

奔跑中的離散元軟體MatDEM

劉春教授表示：當前，在新技術的驅動下人們在工程領域有了越來越多的建設需求，但地質與工程的問題也在不斷湧現。包括，快速建模、沿途體變形和受力分析、大變形破壞、溫度、水分、應力等等，都需要工程模擬軟體來協助。

在工程模擬軟體中，離散元軟體可以用於模擬和分析顆粒物料的力學行為及其對物料處理裝置的影響。目前已經被廣泛的應用於採礦裝置、工程農業機械、化工、鋼鐵、食品及醫藥等領域。

在離散元法中，可以透過堆積和膠結一系列具有特定力學性質的顆粒來構建岩土體模型。還可以在最基本的線彈性模型中，假定顆粒之間靠彈簧來相互接觸和產生力的作用。基於經典的牛頓力學，透過時間步迭代演算法來計算顆粒的加速度速度和位移。進而實現宏觀岩石和土體的變形和破壞過程模型。

現在，世界發達國家已經將發展工業軟體，特別是高階工業軟體，作為國家核心競爭力的基本手段，國外商業軟體佔據了中國工程模擬軟體大部分市場。一個成熟的模擬軟體，需要10~20年的時間來完善。

離散元數值計算方法，能夠有效的模擬岩土體的非連續、不均勻性和大變形破壞。在地質岩土工程和能源開採等領域，具有非常廣泛的應用價值。

接下來，我們來看看離散元法軟體所面臨著三大挑戰：

1、 計算量巨大。數值模擬通常需要迭代計算至少100萬次。

2、 定量建模困難。堆積模型宏觀力學性質與單元力學引數間的關係不明確，需反覆測試和除錯。

3、 多場耦合理論未完善。現代工程中常常面臨多場和多項耦合問題。

在此次論壇上，劉春教授也為我們帶來了磨礪10年研發而成的國產離散元軟體MatDEM。該軟體基於原創的矩陣離散元計算法和宏微觀轉換理論，突破性地實現了數百萬單元的模擬，將離散元數值分析由試樣尺度推進到工程應用；並極大地降低了離散元建模的難度，促進了軟體的迅速推廣應用。

針對離散元軟體所面臨的諸多挑戰，MatDEM也透過各種技術方式得以解決。MatDEM採用了GPU矩陣計算法和三維接觸演算法，實現了每秒1500萬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體的30倍以上（300萬三維單元，1000萬二維單元）。軟體實現了自動堆積建模，分層賦材料，節理面和荷載設定，豐富的後處理功能和二次開發等。

軟體釋出以來，已有來自30多個國家和地區數千次的下載，並在地質、岩土、水利、農業和物理等領域得到了越來越多的應用。

值得關注的是，MatDEM正依託於並行科技運營的超級雲計算中心為使用者進行服務。使用者可以直接呼叫雲平臺的計算資源，或者基於該平臺進行開發，而並不用擔心硬體與運維等問題。

舜雲shonDy軟體，幫助使用者擺脫複雜

舜雲軟體執行董事王溪也帶來了他們的三維流體多物理場數值模擬軟體shonDy。

據王溪介紹，隨著算力資源的普及與價格下降，相比於算力價格，工程師花在前後處理上的人力成本越來越高，原本需要大量算力的演算法逐步有可能進入實際應用中，普通的CAD設計檔案經過簡單處理後，即可作為幾何輸入啟動計算，無需複雜的網格劃分與處理。shonDy軟體擺脫了模擬流程中複雜網格的束縛，使數值模擬獲得了更大的自由度。

在shonDy軟體模擬中，流體和固體被離散為若干運動單元，離散單元的運動更加符合自然現實，這種方法在複雜運動模式流固耦合和複雜自由介面等問題上有獨特優勢。

在實際應用方面，上海一家企業使用舜雲的模擬軟體對新型電驅動後橋進行設計，透過模擬改進了電驅後橋內部的擋板結構，進一步提升了產品工作效率。

在海洋與船舶工程方面，客戶透過模擬軟體對高速艦艇甲板上的海浪進行分析，解決甲板上浪等問題，從而最佳化船首設計。

此外還有油冷電機模擬，模擬電機中油膜粒子被噴射、甩出等現象，從而分析出電機內部換熱係數以及覆蓋率的分佈，之後可以進行系統級熱平衡計算，幫助工程師找到電機工作時的溫度最高點。

此外，此次論壇還有來自實雲軟體、達索軟體、適創科技及ESI集團的專家精彩演講。技術的進步使更多的應用和工程模擬的更有效的應用，同時帶來更高的價值。

從應用角度來看，近年來工程模擬的發展趨勢也有了很大變化，小到糖果製造商大到汽車、飛機制造商，他們都在利用模擬來最佳化生產線的製造工具，以提高生產效率。

在模擬過程中，透過使用遠端感測器收集產品工況資料，分析人員建立產品與裝置，然後對數字模型相同的物理力和其他環境條件。在不存在或無法實現物理感測器的情況下，模擬技術作為數字孿生體的組成部分，能以虛擬感測器的形式，提供關鍵洞察力。

這些，都數字化時代的新“產物”，也進一步推動了企業工作效率。

總的來看，工程模擬軟體早已成為工業領域不可或缺的一部分，其地位舉足輕重。隨著IT技術的不斷進步，在新型超算架構發展的推動下，工程模擬軟體也有了新的變化。它們可以很好地支援GPU等加速技術，搭配雲化的超級計算中心能夠更好地實現軟體各種新功能，讓軟體企業可以將更多精力投入到研發方面，而不必擔心硬體與運維。

工程模擬軟體是一切現代科技上層建築的根本，只有做好它，才能真正幫助企業實現數字化轉型，從而在激烈的競爭中博得先機。