一文带你了解EDEM常用的12种物理模型

EDEM（离散元方法）接触模型是用于描述颗粒在相互接触时行为的数学模型，这些模型在EDEM仿真软件中扮演着至关重要的角色。

本文将向大家介绍EDEM常用的几种接触模型。

1. Hertz Mindlin（no slip）

EDEM（离散元方法软件）中的Hertz-Mindlin (no slip)接触模型是其默认的接触模型，因为它在计算力方面既准确又高效。该模型基于Hertz的接触理论（Hertz, 1882），主要处理法向力分量，并且不考虑滑动效应，即“no slip”条件。

在EDEM中，粒子与粒子之间以及粒子与几何体之间的相互作用通常使用这个默认的Hertz-Mindlin (no slip)接触模型进行设置和分析。这种模型特别适用于需要精确计算颗粒间碰撞、摩擦和变形等物理行为的场景。

Hertz Mindlin常被用于处理无粘性、不可压缩的场景，例如被用于定义沙粒或石块的接触。

2. Hertz Mindlin with JKR

EDEM中的Hertz-Mindlin with JKR接触模型是一种用于描述颗粒接触行为的模型，它结合了Hertz接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向力模型，并引入了JKR表面能参数来模拟颗粒间的粘结力。这种模型在处理具有不同湿度和表面形态的材料时特别有用，因为它能够通过设置颗粒表面的表面能来模拟颗粒的含水量，从而得到颗粒之间的粘结力。

Hertz Mindlin with JKR常被用于处理有粘性、不可压缩的场景，例如被用于定义混凝土、土壤、煤泥等材料的接触行为。

3. EEPA

EEPA（Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion）接触模型是EDEM中一个非常有效的模型。该模型包括一个非线性滞后弹簧模型，以说明弹性-塑性接触变形，并作为塑性接触变形函数的粘着力部分。EEPA模型能够捕捉到材料的历史依赖性和关键特征行为，特别是对于经历先前固结应力的粘聚性颗粒固体来说，其流动行为和处理特性会显著受到影响。

EEPA模型常被用于处理粘结性、可压缩性的场景，例如土壤和草炭等黏重材料。

4. Hysteretic Spring

Hysteretic Spring接触模型是一种用于模拟颗粒在接触过程中表现出塑性变形行为的模型。该模型允许在接触力学方程中包含塑性变形行为，使得颗粒在预定的应力下表现出弹性行为，一旦超过这个应力，颗粒则表现出塑性变形。

具体来说，Hysteretic Spring模型通过设定一个预定义的应力阈值，使得颗粒在达到这个应力阈值之前表现出弹性行为，超过这个阈值后则表现出塑性变形。

Hysteretic Spring模型常被用于处理无粘结性、可压缩性的场景，特别适用于需要模拟颗粒在受到较大压力后产生塑性形变的场合，例如注塑充模、压路等。

5. Rolling Friction Contact Models

滚动摩擦接触模型（Rolling Friction Contact Models）用于描述颗粒在滚动过程中所受到的阻力。这种阻力会减缓滚动物体的运动速度。滚动摩擦接触模型是EDEM接触模型的一种，用于模拟颗粒在接触时的滚动摩擦行为。

6. Relative Wear

相对磨损模型（Relative Wear Model）是一种用于识别设备上高冲击（法向）和高磨蚀（切向）磨损区域的接触模型。该模型通过计算物料与设备之间的相对速度和相关力来确定磨损区域。

相对磨损模型主要用于模拟设备在运行过程中由于颗粒的冲击和摩擦而产生的磨损。这种模型特别适用于需要精确计算磨损情况的工业应用，例如在液压涡轮机、盾构刀具等设备的磨损分析中。通过该模型，可以明确地识别出设备上哪些区域受到的冲击和磨损能量最高，从而为设备的维护和优化提供依据。

在实际应用中，相对磨损模型通常与基础摩擦模型（如滚动摩擦模型）结合使用，以确保模拟的准确性和完整性。例如，在使用EDEM API进行仿真时，可以将相对磨损模型作为附加模型添加到仿真中，以计算设备上的磨损情况。

7. Archard Wear

Archard Wear模型是一种扩展基础模型的接触模型，用于估算几何表面的磨损深度。该模型基于John F. Archard在1953年的工作，其核心思想是表面材料的去除量将与粒子在表面移动时所做摩擦功成正比。Archard Wear模型通过Archard方程来定义磨损深度，该方程考虑了粒子的摩擦功和表面的几何特性。

8. Tavares UFRJ

该模型捕获了粒子碰撞期间发生的各种体破损机制。具体来说，它描述了脆性材料详细断裂机制的适应性，并说明了断裂概率的可变性和尺寸依赖性，以及通过反复施加应力而减弱，并给出了材料的最终尺寸分布。失效机制的性质取决于材料特性以及单个颗粒周围和内部应力场的性质。具体而言，该模型由描述粒子失效临界条件的数学表达式组成，一旦在DEM模拟过程中满足该临界条件，粒子将立即被一系列较小尺寸的球体所取代。此外，还实施了一种创新方法，用于处理颗粒替换，消除潜在的质量损失。

9. Bonding

Bonding模型是一种用于模拟颗粒间粘结和破碎的模型。该模型通过键连接的方式将小颗粒粘结成大颗粒，当大颗粒受到挤压或冲击时，键断裂，从而体现颗粒的破碎效果。

具体来说，Bonding模型采用有限大小的“胶粘剂”来粘结颗粒，这种粘结可以承受切向和法向位移，直到达到最大的法向和切向剪切应力，即粘结断裂点。此后，颗粒将作为硬球相互作用。

注意，Bonding模型在未来版本即将被删除，推荐使用Tavares UFRJ模型。

10. Heat Conduction

Heat Conduction是一种用于模拟颗粒间热传导的接触模型。这种模型不仅描述了颗粒间的接触行为，还考虑了热传导的影响，使得模拟结果更加准确和全面。

EDEM中的接触模型Heat Conduction是Hertz-Mindlin模型的一个变体，它在Hertz-Mindlin模型的基础上增加了热传导的计算。Hertz-Mindlin模型是EDEM中默认使用的接触模型，它基于Hertz接触理论和Mindlin-Deresiewicz的切向力模型，能够准确高效地计算颗粒间的法向力和切向力。而Heat Conduction模型则在此基础上增加了温度更新机制，使得颗粒间的热传导可以通过接触传递。

11. Tribocharging

Tribocharging是一种由于机械接触和两种表面分离而产生的电荷现象。这种现象涉及电子的转移，其中一个物体由于具有更高的电子亲和力而获得电子，从而相对于另一个物体带负电。这种效应在许多粉末处理过程中非常普遍，并且可以通过摩擦或滚动来增强。

12. Electrostatics

Electrostatics接触模型主要用于模拟颗粒表面的电荷分布及其相互作用。这种模型通常用于处理带电颗粒之间的相互作用，例如在静电分离、静电吸附等现象中。在EDEM中，Electrostatics接触模型可以与其他接触模型结合使用，以更准确地模拟复杂的颗粒相互作用。

EDEM中常用的12种接触模型都已介绍完毕，欢迎各位同学点赞、评论或询问相关离散元软件EDEM知识。