1、内容提要内容提要 1 数值分析软件的国家需求数值分析软件的国家需求 2 我国工程数值分析软件现状我国工程数值分析软件现状 3 发展数值分析软件的机遇发展数值分析软件的机遇 4 利科软件的构想与开发进展利科软件的构想与开发进展 5 展望展望1 数值分析软件的国家需求数值分析软件的国家需求 1993年年8月月27日，青海省海南藏族自治州共和县境日，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、内的沟后水库发生溃坝，冲毁大片农田、房舍、铺面，死亡铺面，死亡300余人，多人下落不明。余人，多人下落不明。2003年年7月月1日，上海轨道交通日，上海轨道交通4号线发生涌水涌砂号线发
2、生涌水涌砂事故，直接经济损失事故，直接经济损失1.5亿元人民币。亿元人民币。2008年年9月月8日，山西襄汾发生尾矿坝溃坝事故，日，山西襄汾发生尾矿坝溃坝事故，267人死亡。人死亡。2008年年11月月15日，杭州地铁风情大道工地发生塌日，杭州地铁风情大道工地发生塌陷事故，陷事故，17人死亡，人死亡，4人失踪。人失踪。2009年年6月月27日，上海市闵行区一在建日，上海市闵行区一在建13层住宅楼层住宅楼整体倒塌，周围楼宇也出现险情整体倒塌，周围楼宇也出现险情 重大工程事故频发原因：设计不当、施工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方法欠妥和对工程运行问题处置
3、不当造成。我国是目前世界上土木工程发展最快的国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合理设计与防灾减灾已经成为当今土木工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程学科中最重要、最活跃和最具挑战性的研究领域。研究领域。数值分析软件数值分析软件是复杂工程中必不可少的辅是复杂工程中必不可少的辅助设计工具助设计工具NoImage以水电行业为例介绍国家需求以水电行业为例介绍国家需求 2条初期导流洞条初期导流洞土心墙堆石坝土心墙堆石坝
4、水电站是一个复杂的工程系统水电站是一个复杂的工程系统两河口水电站枢纽布置平面图两河口水电站枢纽布置平面图两河口水电站坝体典型横剖面图两河口水电站坝体典型横剖面图 直心墙堆石坝最大坝高直心墙堆石坝最大坝高295m，坝顶宽度为，坝顶宽度为16m，上、下游坝坡坡比为，上、下游坝坡坡比为1:2.0、1:1.9。大坝填筑总量约。大坝填筑总量约4150万万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，顶高程高程2874m，心墙上、下游坡均为，心墙上、下游坡均为1:0.2。大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦
5、合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、边坡稳定性分析分析、边坡稳定性分析渗流、洞室布置与结构、边坡稳定性相互作用渗流、洞室布置与结构、边坡稳定性相互作用瀑布沟水电站瀑布沟水电站水电站工程是水流控制工程水电站工程是水流控制工程 大坝、地下厂房、隧道、公路边坡设计都大坝、地下厂房、隧道、公路边坡设计都需要大型数值计算软件需要大型数值计算软件 新建工程需要数值计算新建工程需要数值计算 发展水力发电是节能减排的需要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年我国水电装机要比现在翻一番翻一番,新建工程新建工程大多为复杂工程大多为复杂工程 已建工程的安全分析与管理需
6、要数值分析已建工程的安全分析与管理需要数值分析 水库水库8万多座万多座 堤防堤防20多万公里多万公里2 我国工程数值分析软件现状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。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，美国商业软件，花费大量的财力。据了解，美国ITASCA公公司的司的FLAC3D软件在高校的价格是软件在高校的价格是20万以上，离散元万以上，离散元程序程序PFC3D在高校的价格
7、是在高校的价格是30万以上，比美国本土贵万以上，比美国本土贵出出1倍多，这还是所谓的倍多，这还是所谓的“高校折扣价高校折扣价”。隔三差五出。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。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。的单位不多。我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析领域。领域。我国的工程有限元分析从上世纪我国的
8、工程有限元分析从上世纪60年代起步，年代起步，有很多单位编制了很好的计算程序，已经在工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；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；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；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
9、的局面化几乎空白，也面临退出市场的局面 国际商业程序并非万能，很多程序并不适用于中国际商业程序并非万能，很多程序并不适用于中国国情国国情 通用有限元软件用于工程计算成本高，以通用有限元软件用于工程计算成本高，以Abaqus为代为代表，同类的还有表，同类的还有Adina、Ansys等。通用程序设计时并等。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。花费半年的时间摸索。岩土工程计算程序，以岩土工程计算程序，以FLAC和和FLAC3D为代表，同类为代表，同类的还有的还有Plaxis、GeoStudio等。但是对国外的
10、岩土工程等。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。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有考虑到中国国情，很多
11、参数实际上不适用于中国的工程问题。工程问题。自主软件在我国水电工程中的作用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攻关计划、关键技术研究与软件的发展相互促进进 自主软件依然是水工分析的主流自主软件依然是水工分析的主流 很多单位开发了软件很多单位开发了软件,基本自用基本自用 功能：渗流场、温度场、应力场及其耦合，动功能：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坝、隧道和地下厂房、边坡的分析大部分还是以自主软
12、件为主。也借助商业软件（前后处理、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）二次开发、或直接应用）行业呼唤自主软件的发展行业呼唤自主软件的发展3 发展数值分析软件的机遇发展数值分析软件的机遇 市场需求：复杂的工程问题需要市场需求：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国家战略：软件是行业的核心竞争技术 社会环境：行业呼吁社会环境：行业呼吁“民族软件民族软件”，打破，打破“数值分析软件，中国人不行数值分析软件，中国人不行”神话神话 有利条件：工程部门支持，有利条件：工程部门支持，数学与交叉科数学与交叉科学中心学中心 基础：多年开发与工程应用成果，软件雏基础：
13、多年开发与工程应用成果，软件雏形形4 利科软件的构想与进展利科软件的构想与进展 目标：界面友好，交互能力强、可靠目标：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性高的岩土与结构工程分析软件 功能模块功能模块 渗流场渗流场 应力位移场（静力与动力响应）应力位移场（静力与动力响应）温度场温度场 多场耦合多场耦合 稳定安全系数稳定安全系数为什么要做？为什么要做？水利水电的大开发和今后的维护管理需求水利水电的大开发和今后的维护管理需求巨大巨大 国外软件的适用性不能完全满足我们的要国外软件的适用性不能完全满足我们的要求求 我国在本构模型、计算方法等方面具有特我国在本构模型、计算方法等方面具有
14、特点，核心技术并不落后点，核心技术并不落后 我国有软件开发的人才优势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，核心技自主软件是分析技术发展的平台，核心技术不能受制于人术不能受制于人关键：支持自主创新关键：支持自主创新怎么做？怎么做？组织精干队伍组织精干队伍 多单位分工协作，组织软件技术、水工、力多单位分工协作，组织软件技术、水工、力学、数学等多学科背景，有志于学、数学等多学科背景，有志于CAE软件开软件开发的人才队伍发的人才队伍 资源共享资源共享 开源、部分免费，共享开发成果开源、部分免费，共享开发成果 开发与应用结合开发与应用结合 开发工作结合行业需求进行开发工作结合行业需求进
15、行 应用于重大工程，起示范作用应用于重大工程，起示范作用关键问题与人才？关键问题与人才？友好交互前后处理界面友好交互前后处理界面 计算机专业人才计算机专业人才 可靠、稳定的计算模块可靠、稳定的计算模块 力学、工程、有限元结合的人才力学、工程、有限元结合的人才 高性能求解器高性能求解器 快速直接求解方法与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迭代求解方法与求解器 高性能优化方法高性能优化方法 前后处理模块前后处理模块 开发一年多，现有开发人员开发一年多，现有开发人员4人，需要扩展队人，需要扩展队伍伍 计算模块有近计算模块有近20年的发展历程年的发展历程 渗流计算模块（已
16、应用，基本成熟）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）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）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）稳定安全性计算模块（正在开发）动力响应模块（准备开发）动力响应模块（准备开发）温度场计算模块（准备开发）温度场计算模块（准备开发）开发进展开发进展前处理与后处理前处理与后处理界面主窗口界面主窗口主菜单主菜单树形菜单树形菜单坐标系坐标系信息窗信息窗主输入主输入简体中文简体中文 版本:英文中文双语英文中文双语不久将来不久将来前处理与后处理前处理与后处理Step 1/5.C
17、onstruct a geometry modelFrom lines to regionsStep 2/5.Create Material then apply to regions and linesStep 3/5.Create seeds on line then generate meshStep 4/5.set boundary conditions and calculation settings,then calculateStep 5/5:Contours Map&cloud pictures渗流模块渗流模块计算模拟与实测比较计算模拟与实测比较2D 降雨入渗瞬降雨入渗瞬变渗流
18、变渗流2D 瞬变排水试验瞬变排水试验瀑布沟、双江口、长河坝、硬梁包、毛尔盖、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扎雪等多个工程的厂区和坝区渗流分析2D&3D，稳定稳定&非稳定、非稳定、饱和饱和&非饱和，土体非饱和，土体&岩体岩体应力变形模块应力变形模块瀑布沟、长河坝、茅坪溪、水布垭、引子渡等瀑布沟、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多个工程的大坝应力变形分析2D&3D3D 网格心墙 特色本构：特色本构：堆石料的解耦堆石料的解耦K-G模型模型 硬填料的并联本构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接触面特色：渗流与
19、变形耦合接触面渗流应力耦合模块渗流应力耦合模块长河坝、上海洋山港码头已应用长河坝、上海洋山港码头已应用2D&3D计算模拟与理论解的比较计算模拟与理论解的比较 1479.415591671填筑高程-80-4004080Y(m)1500155016001650Z(m)1479.415591671填筑高程-80-4004080Y(m)1500155016001650Z(m)Filling elevation孔隙水压力超孔隙水压力拱坝坝基、软基固结、雾雨入渗边坡、边坡拱坝坝基、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稳定等多方面都有耦合分析需求边坡稳定模块边坡稳定模块(正在进行正在进行
20、)2步边坡稳定分析步边坡稳定分析(强化的极限平强化的极限平衡法衡法)独立的应力分析独立的应力分析 优化技术优化技术关键滑裂面性状关键滑裂面性状关键滑裂面的位置关键滑裂面的位置 假定假定 有限元计算得到的应力状态有限元计算得到的应力状态“导入导入”到极限平衡分析之中，其应力状态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。能够代表滑裂面处的实际情况。边坡稳定模块边坡稳定模块(正在进行正在进行)Manners of“Importing Stresses”from a Finite Element Analysis into a Limit Equilibrium AnalysisNum
21、erator:resisting shear strengthDenominator: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(部分完成部分完成)考虑的因素考虑的因素:材料不同的本构模型材料不同的本构模型非饱和渗流作用非饱和渗流作用降雨入渗降雨入渗固结过程固结过程填筑开挖过程填筑开挖过程(已完成已完成)5 展望展望 国家提供支持国家提供支持 数学、力学、工程、计算机多方面人才结数学、力学、工程、计算机多方面人才结合，全力投入研发合，全力投入研发一定能研发出一定能研发出适应我国行业需求的自主工程数值适应我国行业需求的自主工程数值分析软件分析软件 谢谢关注！谢谢关注！期待合作！期待合作！
