【离散元DEM】一文了解离散元仿真基础知识

世界上到处存在着散体物料、石头、粉末、药片或者土壤等等，这些具备颗粒特性的散体物料几乎无处不在。

事实上，它们存在于70%的工业生产过程中。例如采矿过程中，矿石的开采或输运工程；制药产业，散体物料以粉末、片剂或者胶囊的形式存在；农业中，土壤的耕作、农作物的播种和收获、施肥过程等等。

在这些工业过中，掌握散体物料的特性，从而改善设备的处理、运输和操作的性能将带来巨额的经济效益。所以，散体物料的特性以及散体物料设备的设计是一件非常值得重视的研究。

目前这方面的研究主要使用离散元方法。离散元法（Discrete Element Method, 简称 DEM）就是离散单元法，就是指每个单元都是离散的、有独立特性的，也就我们常见的颗粒状物料。

离散元法的核心思想就是在拉格朗日坐标体系下，针对每个颗粒进行检索，计算由于接触产生的力，再运用牛顿第二定律进行计算颗粒的加速度/速度和位移的变化，进而得到整个系统的状态。

Altair EDEM™是全球首个多用途离散单元法建模软件，采用先进的建模技术，可以快速准确地建立煤块、矿石、土壤、药片等各类固体散料的模型，可用于工业生产中的颗粒处理及其制造设备的生产过程的仿真和分析。

用户可以利用 Altair EDEM 轻松快速地创建颗粒实体的参数化模型。为了放映出实际颗粒的形状，用户可以将 CAD 实体模型直接导入 EDEM ，这将大大增加其仿真的准确性。 

此外，也可以将力、材料和其他物理特征添加到 EDEM 中，形成颗粒模型。这些特征可以保存到软件的数据库当中，以便用户建立个性化的模型处理环境。

EDEM 可以设定每个颗粒的属性（质量、速度等）及施加在颗粒上的力的信息。它能够将颗粒的各种形状考虑在内 ，而不是简单地假定所有颗粒都是球形 。

EDEM 为工程的后处理提供了数据分析 、颗粒流的三维可视化和视频制作等功能。EDEM 的 Particle Factory （颗植工厂）技术为生成颗粒集 合提供了 一种独特、高效的方法：机械集 合体可以从 CAD 或 CAE中以实体模型或网络模型的形式导入到 EDEM 中。

机械零件可以划分为组 ，还可以分别设定每个组的动力参数。在 EDEM 中可以完成机械元件的组装，还可以设定每个部件的运动特性。

EDEM 提供了丰富多样的接触模型，比如 Hertz-Mindlin 模型，用于常规颗粒的接触作用；Hertz-Mindhn with JKR 模型，用于药粉等粉体颗粒和农作物、矿石、泥土等含湿物料，颗粒间因静电力、含湿水分等原因发生明显粘结和团聚；Hertz-Mindhn with RVD Rolling Friction 模型，在基本的 Hertz-Mindlin 模型基础上调整滚动摩擦力的计算方式，适于强旋转体系对物料滚动特性有严格要求的问题。

最新版本的 EDEM 采用接触模型链的方式，将原来的十几种接触模型，利用组合的方式推广到上百种：比如，可以将破碎模型和热传导模型进行联合，这在以前是需要大量的代码开发的。

如果加上软件的 API 接口开发功能，这个接触模型的数量又是一个巨大的增加，可以帮助我们适用于不同的仿真模拟需求。

EDEM 可以结合主流的 CAE 工具软件进行颗粒系统与流体、机械结构及电磁场的耦合模拟仿真。

EDEM与 MBD（多体动力学） 进行耦合，可以仿真设备的动态力学响应，不仅可获取固体散料对机械设备的真实载荷大小及其对设备性能产生的影响，同时可通过分析固体散料的力学响应，为机械设备作业质量评估提供依据。

Altair HyperWorks 2019.1 版本就提供了 EDEM 与  MBD 的耦合方案：集成 MotionSolve 和 EDEM 实现两者之间的双向耦合。

在 EDEM 中创建散料的模型，设定颗粒的形状和质量等属性，创建颗粒间的接触。在 MotionSolve 创建系统的多体动力学模型，与 EDEM 共享相关的几何。耦合仿真同时计算，每个时间步交换数据：MotionSolve计算设备部件的位置和速度，共享数据给 EDEM，EDEM 计算散料颗粒之间的接触力，以及与设备部件之间的相互作用，共享各部件上的合力和力矩给 MotionSolve。两者耦合计算整个系统的运动状态。

案例：

借助 EDEM 与 MBD 的耦合方案，可以分析挖掘机的铲斗在不同操作工况下的载荷，评估挖掘深度、铲斗装载率、结构件载荷分布、动力系统匹配等。

铲斗作业仿真

EDEM 可以与 FEA（有限元分析）工具耦合，可以对施加在机器零件的载荷进行仿真分析，并将结果直接导出到所选的结构分析工具中。

铲斗应力分析

EDEM 可以与 CFD（计算流体动力学） 进行耦合，用于颗粒级的固-液相系统的建模。这种耦合使颗粒-颗粒、颗粒-壁的接触模型的建模变得复杂，但这种沟壑对于研究散体系统行为来说是至关重要的。

EDEM 拥有共享内存的多核并行技术与多 GPU 加速计算技术的双料加持，轻松实现千万级颗粒数量的大型工业化模拟。根据测试计算，采用 GPU 加上技术，可以在 CPU 加速的基础上再提高几倍甚至十几倍，解决大型工程模拟的需求。

EDEM 可应用于物料输送、物料破碎、物料搅拌、物料装卸、高炉布料、固体挤压切割、药粉混合等领域，包含如下几方向：（1）混合与分离；（2） 收缩、断裂及凝聚；（3）颗粒的损伤和磨损；（4）固-液流的条件；（5）机器部件对颗粒碰撞的力学反应；（6） 腐蚀；（7）颗粒包装和表面处理；（8）热和质量的传递；（9）化学反应动力学；（10）沉降和颗粒从固-液体系中的去除；（11）危险切料的处理；（12） 干-湿固体压实；（13）粘性和理性力学；（14）胶体和玻璃体的行为。