走近“神通广大”的国产CAE多物理场断裂分析软件MultiFracS
导读：自2022年3月以来，一大 波新的国产CAE软件创作者加入仿真秀，向广大的仿真从业者和学习者分享他们在各自专业领域研究的最新成果和行业经验。前不久，国产多物理场断裂分析软件MultiFracS的开发者严成增教授正式认证仿真秀专栏，将通过仿真秀平台将向多物理场断裂分析兴趣爱好者和科研工作者带来他的研究新进展。
严成增，教授，博士生导师，入选香江学者，毕业于中国科学院大学，主要从事多物理场岩土材料断裂及破碎数值建模、有限-离散元法(FDEM)方面的研究工作。自2011年以来，建立了系列FDEM水力、热力、水热、接触传热、湿度运移-断裂耦合模型，形成了多物理场材料断裂的系统性数值分析方法，研制了GPU并行多物理场断裂分析软件MultiFracS，相比串行版本加速2个数量级。主持国家自然科学基金、北京自然科学基金等项目10项。发表一作/通讯论文46篇（SCI 33篇），论文总被引次数1474次，单篇最高被引155次；申请及授权发明专利6项，软件著作权2项。SCI期刊特刊客座主编。应邀在香港理工大学、武汉大学等作特邀报告。
9月8日20时，严成增教授将在仿真秀官网和APP同步直播《MultiFracS多物理场断裂分析在岩土、地质、能源、水利、采矿和爆炸行业的应用》。
MultiFracS-国产多物理场断裂分析软件在岩土、地质、能源、水利、采矿和爆破行业应用-仿真秀直播
一、MultiFracS软件研发历程
从2011年起开始从事有限-离散元法（FDEM）的研究，至今恰好11年时间，当时FDEM仅限于进行纯力学断裂计算，不能进行多物理场作用下复杂连续-非连续介质的开裂模拟。为此，笔者先后开发系列2D/3D水力耦合模型、热力耦合模型、接触传热模型、水热耦合、湿度-变形-断裂耦合模型并开发相应的程序，使得可以对水力压裂、热开裂、干缩开裂、水岩换热等这类复杂工程难题的求解，并且发表FDEM方法及多物理场耦合模型构建方面的一作论文42篇，其中一作SCI 29篇。然而，由于计算速度的限制，这些模型能够求解的问题规模相对较小。
后来，笔者又借助GPU技术，开发了多物理场断裂GPU数值分析软件，也就是今天的MultiFracS，包含了之前所有的多物理场及断裂模拟功能，同时该软件相比串行程序加速2个数量级。
二、MultiFracS软件特色
多物理场 断裂：能够模拟多物理场作用下（THMC）任意复杂裂缝起裂、扩展和交汇。 非贯通裂缝直接建模：不需要对区域进行完整切割，只需要按照真实的裂缝特征进行建模即可。 热传导、热对流、接触传热、摩擦生热、流体流动、湿度运移、大变形、大位移、大转动、接触、断裂及破碎这些因素及其相互作用均能在MutiFracS中同时考虑。 完整模拟从连续到非连续的整个变形、破坏过程。 连续-非连续介质和颗粒介质均适用。 有限-离散元法（FDEM）。
三、MultiFracS软件版本
MultiFracS 2D 多核并行 纯断裂版 MultiFracS 2D 多核并行 热-断裂版 MultiFracS 2D 多核并行 渗流-断裂版 MultiFracS 2D 多核并行 湿度-断裂版 MultiFracS 2D 多核并行 渗流-湿度-热-断裂版
MultiFracS 3D 多核并行 纯断裂版 MultiFracS 3D 多核并行 热-断裂版 MultiFracS 3D 多核并行 渗流-断裂版 MultiFracS 3D 多核并行 湿度-断裂版 MultiFracS 3D 多核并行 渗流-湿度-热-断裂版
MultiFracS 2D GPU并行 纯断裂版 MultiFracS 2D GPU并行 热-断裂版 MultiFracS 2D GPU并行 渗流-断裂版 MultiFracS 2D GPU并行 湿度-断裂版 MultiFracS 2D GPU并行 渗流-湿度-热-断裂版
MultiFracS 3D GPU并行 纯断裂版 MultiFracS 3D GPU并行 热-断裂版 MultiFracS 3D GPU并行 渗流-断裂版 MultiFracS 3D GPU并行 湿度-断裂版 MultiFracS 3D GPU并行 渗流-湿度-热-断裂版
四、MultiFracS计算效率
目前GPU版本相比串行加速2个数量级。
五、MultiFracS应用领域
1、边坡工程
土质边坡稳定及破坏分析、库水作用下边坡稳定性分析、岩质边坡稳定性及破坏分析、危岩体变形破坏分析、高裂隙水压岩质边坡变形破坏、冻融作用下边坡稳定性分析。
2、隧洞工程
隧洞变形破坏分析、隧洞突涌水、寒区隧洞稳定性分析（涉及THM耦合）、注浆工程、刀具破岩。
3、水利水电工程
大坝工程、混凝土开裂、坝基稳定性及破坏分析、骨料堆积及变形破坏演化
4、采矿工程
露天矿边坡稳定性分析、巷道稳定性及破坏分析、矿层开采顶板冒落、采动条件下岩层的运动包含变形、开裂、离层、破断、冒落；尾矿坝变形破坏分析；刀具破岩
5、能源工程
任意复杂裂隙储层的水力压裂、水岩换热分析、储气储能工程
6、岩石力学试验
巴西劈裂、单三轴压缩、直剪试验、霍普金森杆（SHPB）试验、混凝土断裂相关试验
7、爆破工程及高速冲击
冷却塔拆除、露天爆破、地下爆破、穿甲破坏分析、子弹冲击甲板
8、土力学
土体干缩开裂、土层排水固结
9、颗粒物质
颗粒堆积、颗粒破碎、颗粒摩擦生热、接触传热及其诱发的开裂
10、其他
结构工程和机械工程等。
六、MultiFracS部分案例应用
1、基本岩石力学试验
单轴压缩
巴西劈裂
2、颗粒堆积
边坡变形破坏
露天矿边坡变形破坏
4、巷道开挖
巷道开挖-位移演化
巷道开挖
隧洞变形破坏
5、爆破及高速冲击
水力压裂-3D-仅考虑裂隙渗流-水压演化及裂纹扩展
水力压裂-3D-水压演化及裂缝扩展
陶瓷片遇水热冲击-温度演化及裂缝扩展
颗粒介质接触传热
水岩换热-岩石温度演化
9、湿度变化引起土体干缩开裂
方形试样土体干缩开裂
10、软岩大变形
拱桥垮塌
为了让大家更好的理解和掌握国产多物理场断裂分析软件MultiFracS，9月8日20时，我将在在仿真秀官网和APP同步直播的MultiFracS特色功能，并介绍其在岩土材料断裂及破碎数值建模方面的独特优势，以及在隧道、边坡、采矿、水利水电、爆破、非常规油气及地热开采等领域的重要应用价值。欢迎广大仿真学习者和从业者试用和交流。如有不当欢迎批评指正。
以下是我的公开课安排（扫码报名，支持回看）
MultiFracS-国产多物理场断裂分析软件在岩土、地质、能源、水利、采矿和爆破行业应用-仿真秀直播
（完）
