工業(yè)軟件是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的靈魂，被譽(yù)為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代工業(yè)領(lǐng)域的“皇冠”，工程仿真軟件更是“皇冠上的明珠”，融合了工程學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的算法和技術(shù)，涉及學(xué)科廣，技術(shù)難度高。歐美等發(fā)達(dá)國家的商業(yè)軟件占據(jù)大部分國際市場，發(fā)展國產(chǎn)可控的工程仿真軟件迫在眉睫。

針對隧道與地下工程防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求，山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)工程災(zāi)害數(shù)值仿真前沿技術(shù)，在工程災(zāi)變模擬的理論與方法上不斷創(chuàng)新。2023年4月，山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出巖土工程災(zāi)變分析軟件HazE，有力提升了國產(chǎn)工程仿真軟件的自主創(chuàng)新能力，助力打造中國工程仿真軟件的自主品牌，解決了工程軟件關(guān)鍵技術(shù)難題，目前已廣泛應(yīng)用于隧道與地下工程巖體災(zāi)變預(yù)測和重大災(zāi)害防控中。

HazE為隧道與地下工程領(lǐng)域相關(guān)科研與技術(shù)人員提供了有效分析工具

組建高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)，攻克災(zāi)變演化全過程模擬難題

隧道與地下工程是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分，其建設(shè)規(guī)模和難度居世界前列。由于地下賦存地下水以及大量巖溶、斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，工程建設(shè)過程中經(jīng)常遭遇突水突泥、圍巖垮塌等重大地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅工程建設(shè)安全，災(zāi)害控制已成為決定重大工程建設(shè)成敗的重中之重。

數(shù)值模擬是解決重大科學(xué)問題和復(fù)雜工程難題必不可少的研究手段，在揭示重大災(zāi)害機(jī)理、明晰災(zāi)變演化過程、提升防災(zāi)減災(zāi)水平、保障工程安全建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。針對隧道及地下工程建設(shè)面臨的極端地質(zhì)條件和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，以攻克突水突泥災(zāi)變演化全過程模擬難題為目標(biāo)，山東大學(xué)巖土工程中心成立了工程計(jì)算課題組，組建了一支高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)。面對日益嚴(yán)峻的災(zāi)害防控形勢與越來越高的工程防災(zāi)減災(zāi)要求，依托先進(jìn)理論與技術(shù)方法，科學(xué)認(rèn)知災(zāi)害孕育機(jī)制，深入分析災(zāi)變過程與演化規(guī)律，揭示高地應(yīng)力、高水壓等復(fù)雜條件下重大工程災(zāi)害機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)高效防災(zāi)減災(zāi)的重要前提。

據(jù)山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，巖土工程災(zāi)變模擬面臨三大挑戰(zhàn)：一是由于工程地質(zhì)體是一個(gè)具有非連續(xù)性、非均質(zhì)、非參數(shù)化特點(diǎn)的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)計(jì)算模型與工程實(shí)際相差甚遠(yuǎn)；二是由于災(zāi)變機(jī)理與演化過程極其復(fù)雜，現(xiàn)有模型與方法無法科學(xué)表征其演化過程；三是由于現(xiàn)有計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)硬件水平難以支撐大規(guī)模仿真計(jì)算，制約著工程仿真軟件的推廣應(yīng)用。

面對上述三大挑戰(zhàn)，山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近十年的科學(xué)探索與工程實(shí)踐，在精確建模、科學(xué)模擬和高效計(jì)算三個(gè)方面取得了創(chuàng)新性突破，為自主研發(fā)仿真軟件奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新，自主研發(fā)災(zāi)變分析軟件

工程仿真軟件是通過數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法來模擬真實(shí)世界中的復(fù)雜工程系統(tǒng)，能夠幫助工程師更好地理解和優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)性能，是提升工程建設(shè)質(zhì)量、保障工程建設(shè)安全的重要工具。

聚焦隧道與地下工程突水突泥災(zāi)變演化全過程模擬難題，山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)提出了“試驗(yàn)揭示新機(jī)理、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新規(guī)律，數(shù)值計(jì)算理論、方法創(chuàng)新再現(xiàn)演化全過程，軟件自主研發(fā)加速推進(jìn)軟件國產(chǎn)化進(jìn)程”的總體思路與三步走策略。

山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)通過多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新，以理論方法創(chuàng)新為基礎(chǔ)，開發(fā)出自主可控的巖土工程災(zāi)變分析軟件HazE，包括面向用戶設(shè)計(jì)的工程多物理場耦合分析通用軟件HazEPD和巖體-地下水系統(tǒng)災(zāi)變分析專用版HazEDEM，不僅為多物理場耦合作用下巖體損傷災(zāi)變分析提供了通用分析工具，更為隧道與地下工程突水突泥演化模擬提供了專用分析軟件，實(shí)現(xiàn)了巖體多場耦合災(zāi)變行為的科學(xué)模擬和突水突泥演化全過程的直觀再現(xiàn)。

HazE軟件界面

服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，解決重大工程難題

“HazE發(fā)布后，在業(yè)內(nèi)受到廣泛關(guān)注和認(rèn)可?！鄙綎|大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，HazE的相關(guān)成果在數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域主流期刊發(fā)表了一系列高水平論文，形成了發(fā)明專利群和計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)群，有力支撐了國產(chǎn)工程仿真軟件自主創(chuàng)新，助力解決我國隧道與地下工程領(lǐng)域工程仿真軟件長期面臨的技術(shù)難題。

隧道與地下工程是我國“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略、國家水網(wǎng)建設(shè)和“一帶一路”倡議實(shí)施的重要支撐。隨著滇中引水、YX水電工程、CZ鐵路等世界級(jí)重大工程的規(guī)劃與實(shí)施，工程建設(shè)面臨著高海拔、高地應(yīng)力、高水壓、強(qiáng)富水等極端艱險(xiǎn)的地質(zhì)條件和建造環(huán)境，地下水作用下巖體滲流災(zāi)變誘發(fā)的突水突泥、圍巖垮塌等災(zāi)害防控形勢異常嚴(yán)峻，防災(zāi)減災(zāi)已成為服務(wù)國家重大戰(zhàn)略、保障國家重大工程安全建設(shè)的迫切需求。

HazE的自主研發(fā)和成功應(yīng)用，顯著提升了隧道與地下工程領(lǐng)域工程仿真的科學(xué)水平，推動(dòng)了國產(chǎn)工程仿真軟件的自主創(chuàng)新能力。HazE為隧道與地下工程領(lǐng)域相關(guān)科研與技術(shù)人員提供了有效分析工具，可用于巖體特定物理力學(xué)行為的分析、預(yù)測及評價(jià)，并在規(guī)劃工程建設(shè)、指導(dǎo)災(zāi)害防控中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前，HazE已廣泛應(yīng)用于CZ鐵路、滇中引水、汕頭灣海底隧道、濟(jì)南地鐵、北京廣渠路地下綜合管廊等多個(gè)國家重難點(diǎn)工程中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十次巖體災(zāi)變行為的預(yù)測分析和調(diào)控設(shè)計(jì)，有效防范了隧道與地下工程重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

代表性工程應(yīng)用

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