我国工程仿真软件长期面临“卡脖子”困境，欧美等发达国家的商业软件占据了约95%的国际市场，发展国产可控的工程仿真软件迫在眉睫。近日，山东大学岩土工程中心自主研发的灾变分析软件HazE，在第六届连续-非连续数值分析方法及应用学术研讨会上成功发布，标志着山东大学自主研发的国产软件进入发展新阶段。
山东大学校长、中国工程院院士李术才，中国力学学会副理事长、中国科学院院士何国威，中国工程院院士崔俊芝，中国科学院力学研究所研究员李世海，山东省科学技术协会党组成员、副主席袁慎庆出席活动并致辞，山东大学齐鲁交通学院常务副院长李利平教授主持软件平台发布会。
大连理工大学唐春安教授、中国科学院力学研究所李世海研究员、北京工业大学郑宏教授、北京大学刘谋斌教授、山东大学校长助理朱德建研究员等8名领导专家共同见证发布HazE灾变分析软件。
01
防灾减灾形势日益严峻，
数值模拟成为重要手段
隧道与地下工程是国家基础设施建设的重要部分，其建设规模和难度居世界之最。随着交通强国、“一带一路”、国家水网建设等宏伟战略和倡议的实施，水利水电、交通等领域一批重大工程项目接续启动，我国基础设施建设迎来了快速发展的黄金机遇期。
水利水电领域，随着雅鲁藏布江、金沙江、澜沧江等多条重要江河流域的开发以及南水北调等跨流域调水工程的规划，20余个大型水利水电工程正在建设，将建设数百条“埋深千米，长度超10公里”的深长引水隧洞。交通运输领域，在建和规划铁路公路隧道总长超过3万公里，西部艰险山区交通工程中隧道占比高、线路长、难度大，具有“高应力、高水压、构造复杂、灾害频发”等显著特点。
突水突泥、岩体垮塌、大变形等重大灾害是威胁隧道与地下工程建设安全的“顽疾”，灾害控制已成为决定重大工程建设成败的重中之重。面对日益严峻的灾害防控形势与越来越高的工程防灾减灾要求，依托先进理论与技术方法，科学认知灾害孕育机制，深入分析灾变过程与演化规律，揭示高地应力、高水压等复杂条件下重大工程灾害机理，是实现高效防灾减灾的重要前提。
数值模拟已成为解决重大科学问题和复杂工程难题必不可少的研究手段，与理论分析、实验研究并列为科学研究的三大支柱，并在揭示重大灾害机理、明晰灾变演化过程、提升防灾减灾水平、保障工程安全建设中发挥着至关重要的作用。
以数值模拟为核心的仿真软件（计算机辅助工程CAE软件）与计算机辅助设计CAD软件和计算机辅助制造CAM软件，被认为是工业软件中“几乎最难啃的三座大山”，是人类基础学科和工程知识的集大成者。工业软件本质是特定工业场景下的经验知识，以数字化模型或专业化软件工具的形式沉淀下来。然而，由于仿真软件本身的构成涉及数学、物理、计算机和工程经验四大技术图谱，形成了深不可测的技术鸿沟，对理论创新、算法开发、软件研发和工程应用带来了一系列科技难题和挑战。
工业软件是新一代信息技术产业的灵魂，被誉为数字经济时代工业领域的“皇冠”。美国、欧盟等发达国家将先进的仿真分析软件视为维系国家全球竞争力的战略王牌，从20世纪70年代开始，推出了先进模拟与计算计划等战略，逐渐形成一系列成熟的商业仿真软件，占据了约95%的软件市场。我国工业软件“卡脖子”困境突出，如何打破困境、自立自强，成为当前科技工作者面临的时代挑战。
02
自主创新驱动发展，
破解工程仿真难题
山东大学岩土工程中心长期以来非常重视数值计算和工程软件的创新研发与工程服务。
20世纪90年代末至本世纪初，开发了三维断裂损伤有限元程序，解决了裂隙弱化作用和锚固效应分析计算难题，成功应用于三峡工程、溪洛渡水电站、锦屏一级水电站等三十余个国家重难点工程中。
本世纪第一个十年，综合运用数值计算、理论分析和工程类比，率先提出了适合中国钻爆法海底隧道的最小岩石覆盖厚度确定方法，成功应用于我国大陆第一条和第二条海底隧道——厦门翔安海底隧道和胶州湾海底隧道，丰富和完善了我国海底隧道设计理论与方法。
自2014年起，针对隧道及地下工程建设面临的极端地质条件和复杂地质环境，以攻克突水突泥灾变演化全过程模拟难题为目标，山东大学岩土工程中心成立了工程计算课题组，组建了一支由中国工程院院士领衔，杰出中青年人才为骨干，海内外优秀青年为后备的高水平研发团队。
团队带头人是山东大学校长、中国工程院院士李术才教授，长期从事隧道与地下工程重大灾害防控研究，致力于建立先进、科学、高效的数值计算理论、方法与软件，突破地下水作用下岩体结构复杂灾变行为有效模拟。
以此为目标，团队骨干、国家杰出青年科学基金获得者李利平教授担任课题组长，扛起了攻关“大旗”。团队成员由国家高层次人才特殊支持计划“青年拔尖人才”周宗青教授、山东大学特聘教授褚开维、国家优秀青年科学基金（海外）获得者王利戈教授以及一大批博士后和研究生组成，为自主仿真软件研发提供了力量保障。
历经十余年科学探索与工程实践，将突水突泥灾变机理与演化过程的科学认知融入到模型开发、算法创新与软件研发中，自主开发了HazE灾变分析软件，包括岩体-地下水系统灾变分析专用版HazEDEM和工程多物理场耦合分析通用版HazEPD，实现了岩体多场耦合灾变行为和演化全过程的科学模拟与再现。
03
“灾变机理-方法创新-软件研发”，
探索仿真软件自主创新之路
聚焦隧道与地下工程突水突泥灾变演化全过程模拟难题，研发团队提出了“试验揭示新机理、发现新现象、探索新规律，数值计算理论、方法创新再现演化全过程，软件自主研发加速推进软件国产化进程”的总体思路与三步走策略。
针对重大突水突泥灾变演化模拟难题，通过系列室内试验与模型试验装备自主研发，发现了富水破碎岩体渗透破坏机理，提升了对突水突泥灾害的科学认知。据此，提出了基于粗粒化离散元理论与连续-非连续耦合方法的全过程模拟策略，研发了岩体-地下水系统灾变分析专用软件HazEDEM。科学再现了江西吉莲高速钻爆法隧道、吉林引松TBM隧洞突水突泥演化过程，成功应用于汕头湾海底隧道、康新高速跑马山二号隧道突水突泥灾变调控与优化设计。
针对岩体结构复杂灾变行为模拟，通过系列室内试验与模型试验，发现了“内-外”动力扰动作用下岩体损伤破坏机理，构建了以近场动力学为核心，耦合有限单元法和有限体积法的工程尺度流固耦合高效求解策略，自主研发了面向用户设计的工程多物理场耦合分析通用软件HazEPD。依托双江口水电站、重庆快速路歇马隧道、济南地铁、北京广渠路地下综合管廊等重大工程开展了验证与应用，实现了围岩开挖损伤区的有效预测和岩体渗流灾变过程的科学再现。
突水突泥计算模型与算例纳入国际著名离散元软件EDEM案例库，获国际岩土主流软件ITASCA公司高度评价“为数值方法发展作出了重要贡献”，并作为官方案例推送报道。
相关成果在数值计算领域主流期刊发表系列高水平论文，获美国、英国、澳大利亚等国际学者和中国工程院钱七虎院士、王复明院士、朱合华院士、美国工程院Derek Elsworth院士等著名专家的广泛引用和高度评价。授权、实审国际PCT专利7项、中国发明专利和计算机软件著作权60余项，形成了岩体-地下水系统灾变模拟和工程多物理场耦合模拟发明专利群、软件著作权群，粗粒化流固耦合模拟方法获第二十六届“阿基米德”国际发明新技术金奖，有力支撑了自主软件研发。
HazE灾变分析软件为隧道及地下工程领域相关科研与技术人员提供了有效分析工具，可用于岩体特定物理力学行为的有效分析、预测及评价，并在规划工程建设、指导灾害防控中发挥着至关重要的作用。
04
矢志不渝自主创新，
助力我国仿真软件自信自强
山东大学工程计算课题组致力于建立先进的数值计算理论、科学的模拟方法、高效的求解策略，不断研发更加丰富多元的力学模型、更加科学高效的计算方法、更加功能强大的软件平台，显著提升工程仿真科学水平，大力推动国产工程仿真软件高质量发展。
以此次发布会为契机，山东大学工程计算课题组推出微信公众号“励耘仿真实验室”，取自“励精图治、辛勤耕耘”之意，同时也表明了山东大学致力于不断推进颗粒离散元、粒子类方法创新突破，为工程计算提供更为先进的云计算、云平台和云服务的奋斗目标。
素材来源 | 山东大学融媒体中心
文 | 周宗青
编辑 | 宋奕蕾
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