1. 國產(chǎn)專業(yè)非球形離散元軟件DEMSlab介紹

DEMSLab軟件是DEMSLab公司基于離散單元法（DEM）開發(fā)的針對顆粒系統(tǒng)進(jìn)行模擬的國產(chǎn)專業(yè)非球形離散元商用軟件。DEMSLab以世界領(lǐng)先的非球形離散單元技術(shù)為核心，致力于工業(yè)級的大規(guī)模顆粒體系的模擬。通過精確模擬設(shè)備內(nèi)的復(fù)雜顆粒運(yùn)動、傳熱、及顆粒-流體、顆粒-設(shè)備間的復(fù)雜作用，DEMSLab可幫助企業(yè)降低設(shè)備的能耗及損耗，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

       2. DEMSlab軟件技術(shù)指標(biāo)

       2.1. 領(lǐng)先的非球形顆粒模型（球類、超橢球類、多面體類）

DEMSLab軟件擁有領(lǐng)先的非球形顆粒模型構(gòu)建功能，同時(shí)采用了三大類顆粒形狀模型，可以精確地描述任意真實(shí)顆粒形狀。

1) 第一類是球類顆粒形狀模型（Sphere-based model），包括球形模型（Sphere model）、組合球模型（Multi-sphere model）、粘結(jié)球模型（Bonded-sphere model）、以及微滴模型（Droplet model）；

2) 第二類是超橢球類顆粒形狀模型（Super-ellipsoid-based model），包括超橢球模型（Super-ellipsoid model）和組合超橢球模型（Multi-super-ellipsoid model）；

3) 第三類是多面體類模型（Polyhedron-based model），包括凸多面體模型（Convex polyhedron model）和凹多面體模型（Concave polyhedron model）。

用戶可以根據(jù)需要選用上述顆粒形狀模型，對所需解決的問題進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的數(shù)值仿真。需要說明的是上述三類顆粒模型可以在同一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)使用，因此用戶可以根據(jù)需要選擇不同的顆粒形狀模型，并應(yīng)用在同一個(gè)工程問題中。

圖 2-1 DEMSLab軟件支持的顆粒模型

圖 2-2 DEMSLab軟件操作界面

       2.2. 支持復(fù)雜運(yùn)動以及周期性邊界

DEMSLab軟件支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)及運(yùn)動（振動、旋轉(zhuǎn)、移動等）邊界條件、周期性（包含Lees-Edwards）邊界條件等，也可以用戶自定義，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的復(fù)雜運(yùn)動。

       2.3. 豐富的顆粒接觸力模型（包括顆粒換熱模型、顆粒磨損模型）

DEMSlab具有豐富的接觸力模型，包括基本線性接觸模型、通用線性接觸模型、Hertz-Mindlin非線性接觸模型、線性彈塑性接觸模型，且軟件還內(nèi)置了鍵合球模型以及基于多面體顆粒的。鍵合球模型在顆粒之間施加了鍵合力，可用于分析顆粒之間的破碎。彈塑性模型除此之外，顆粒還提供了顆粒-顆粒，顆粒-設(shè)備、顆粒-流體之間的傳熱模型以及顆粒接觸摩擦生熱模型，可用于計(jì)算顆粒-顆粒、顆粒-設(shè)備、顆粒-流體之間的熱量傳遞。   

DEMSLab提供了多種粘結(jié)力模型，包括范德華力（分子間作用力）、毛細(xì)力（液橋力），并在此基礎(chǔ)上，提供了表面能模型，表明能模型可視為分子間作用力與液橋力的合力模型。粘結(jié)力模型可實(shí)現(xiàn)顆粒的粘附作用、如濕顆粒的粘附。

此外，軟件還內(nèi)置了顆粒接觸磨損模型—沖擊能量侵蝕模型（(IEEM)），不僅可以考慮設(shè)備壁面的磨損，還可以考慮顆粒本身的磨損，大大提高了軟件的工程使用價(jià)值。

       2.4. 先進(jìn)的后處理器（云圖顯示，數(shù)據(jù)分析）

后處理器采用Open GL編程技術(shù)設(shè)計(jì)，可快速高效地實(shí)時(shí)顯示顆粒體系的運(yùn)動過程，同時(shí)可對任意時(shí)刻的微觀受力情況進(jìn)行分析。

軟件可提取顆粒幾乎所有的數(shù)據(jù)，包括顆粒的運(yùn)行軌跡、顆粒的運(yùn)行速度、顆粒的停留時(shí)間、顆粒的溫度、顆粒的磨損、顆粒的接觸力鏈、顆粒的破碎。且軟件可生成曲線、柱狀圖、餅狀圖、百分比圖等后處理圖形，并可直接輸出顆粒的各項(xiàng)參數(shù)。

如基于DEM-CFD耦合，還可在流體軟件中獲取流體速度、流體溫度、以及顆粒相對于流體的體積分?jǐn)?shù)，可用于分析氣?；旌暇鶆蛐?。

如基于DEM-MBD耦合，還可獲得機(jī)械設(shè)備與顆粒之間的相互作用力，用于分析設(shè)備運(yùn)動的動力學(xué)過程。

基于顆粒-設(shè)備之間的磨損模型，在后處理中還可分析設(shè)備的磨損，對于研究設(shè)備磨損的過程具有很好的理論指導(dǎo)作用。

圖 2-3 設(shè)備磨損后處理顯示

       2.5. 支持用戶自定義開發(fā)

DEMSLab軟件提供總數(shù)超過200個(gè)的API函數(shù)用于用戶開發(fā)自定義函數(shù)（User C Functions）。通過User C Functions，用戶可以自定義更為復(fù)雜的邊界運(yùn)動、接觸力模型、顆粒參數(shù)、破碎模型、曳力模型，以及顆粒-流體之間的傳熱傳質(zhì)模型，可以實(shí)現(xiàn)顆粒-顆粒、顆粒-流體之間的物理化學(xué)動力學(xué)過程。

       2.6. 支持通用CAD軟件建模

DEMSLab軟件支持通用CAD軟件（例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等）建?；蛘逜NSYS Fluent的網(wǎng)格msh文件（可以由ANSYS Fluent的前處理器生成，比如ANSYS ICEM CFD或Gambit軟件）。DEMSLab軟件中設(shè)備幾何文件（mesh文件）可以通過通用CAD軟件輸出的stl文件或ANSYS Fluent的網(wǎng)格文件（msh文件）進(jìn)行轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入，并進(jìn)行幾何體單位的轉(zhuǎn)化。

且軟件具備對顆粒生成器的點(diǎn)線面體等多維度的CAD設(shè)計(jì)功能，可在任意位置生成顆粒，并賦予顆粒初始化速度、溫度等屬性。

       2.7. 支持與其它CAE、CFD軟件耦合求解

通過User C Functions，DEMSLab軟件可以與通用CFD軟件（比如ANSYS Fluent）、FEM軟件（比如ANSYS Structure、ABAQUS）及MBD軟件（比如Adams）進(jìn)行單向或雙向耦合求解。目前已經(jīng)具備DEMSLab-Fluent的單向及雙向耦合接口、DEMSLab-Adams/Recurdyn的單向及雙向接口、DEMSLab-FEM的單向接口。

基于DEMSLab-Fluent的單向及雙向耦合接口，可實(shí)現(xiàn)顆粒與流體之間的動量交換、能量交換，并基于自定義函數(shù)框架，可實(shí)現(xiàn)顆粒與流體之間的質(zhì)量交換?？蓪θ我鈺r(shí)刻的微觀受力情況進(jìn)行分析，可提取顆粒幾乎所有的數(shù)據(jù)，包括顆粒的運(yùn)行軌跡、顆粒的運(yùn)行速度、顆粒的停留時(shí)間、顆粒的溫度、顆粒的磨損、顆粒的接觸力鏈、顆粒的破碎?；贒EM-CFD耦合，還可在流體軟件中獲取流體速度、流體溫度、以及顆粒相對于流體的體積分?jǐn)?shù)，可用于分析氣?；旌暇鶆蛐?。

圖 2-4 DEM-CFD耦合（雙向）

此外DEMSLab還支持氣-液-固三者的耦合仿真，如下圖所示：

圖 2-5 氣-液-固耦合（DEM-CFD雙向）

圖 2-6 DEM-FEA耦合（單向）

基于DEM-MBD的單向及雙向耦合接口，可以實(shí)現(xiàn)顆粒-設(shè)備之間復(fù)雜的動力學(xué)計(jì)算以及柔性設(shè)備的變形計(jì)算。

A)      剛性體

B)剛?cè)狁詈?/span>

圖 2-7 DEM-MBD耦合（雙向）

圖 2-8 DEMSLab后處理顯示（DEM-MBD耦合仿真）

       2.8. DEM-CFD耦合求解（包括換熱）

軟件內(nèi)置了與通用CFD軟件（如ANSYS Fluent）的接口，包括動量耦合模塊、熱量耦合模塊，并內(nèi)置了豐富的顆粒-流體曳力模型、升力模型、虛擬質(zhì)量力模型、對流換熱模型等，可以實(shí)現(xiàn)流體-顆粒之間的動量交換以及熱量交換，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程基于動態(tài)鏈接庫來實(shí)現(xiàn)。

       2.9. 自適應(yīng)求解器

軟件提供了固定時(shí)間步長求解器與自適應(yīng)步長求解器，自適應(yīng)步長求解器可以根據(jù)計(jì)算的結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)間步長。

且顆粒生成器具有靜態(tài)生成與動態(tài)生成兩類，靜態(tài)顆粒生成，在某個(gè)時(shí)刻生成一定數(shù)量的顆粒。動態(tài)顆粒生成，顆粒在一段時(shí)間內(nèi)生成顆粒，顆粒在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)生成的數(shù)量，由軟件自我調(diào)控，客戶只需要輸入顆粒的生成速率即可。

       2.10. 并行化求解

DEMSLab軟件采用OpenMP技術(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可在擁有多核處理器的共享內(nèi)存服務(wù)器或個(gè)人電腦上高效運(yùn)行。DEMSLab軟件可在一臺具備32 GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上對10,000,000顆粒規(guī)模的球形及非球形顆粒體系進(jìn)行動態(tài)模擬，其計(jì)算速度取決于計(jì)算機(jī)上處理器的總核數(shù)及時(shí)鐘頻率。

       2.11. 軟件運(yùn)行環(huán)境

DEMSLab軟件支持在Win10版本操作系統(tǒng)中運(yùn)行，支持64位操作系統(tǒng)。

       2.12. 完善的幫助文檔及大量的案例教程

DEMSLab軟件提供數(shù)千頁的幫助文檔及數(shù)十個(gè)實(shí)際的案例教程，用戶可通過幫助文檔和教程快速掌握DEMSLab軟件的使用，包括基礎(chǔ)操作、各種顆粒模型的構(gòu)建、邊界條件的設(shè)置、傳熱、設(shè)備磨損、CFD-DEM耦合等案例。

       3. DEMSLab軟件應(yīng)用范圍

       3.1. 工程機(jī)械應(yīng)用

       3.1.1. 挖掘機(jī)挖掘過程分析

挖掘機(jī)是工程建設(shè)與生產(chǎn)中最常見的土方機(jī)械，其作業(yè)對象多為土壤、砂石等散體物料，屬于典型的散體系統(tǒng)與多體系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，如圖所示。前期，雖然國產(chǎn)挖掘機(jī)企業(yè)逐漸加大研發(fā)力度進(jìn)行產(chǎn)品的性能提升研發(fā)工作，但受限于傳統(tǒng)CAE方法的桎梏，相較于卡特彼勒、小松等國際知名品牌在產(chǎn)品可靠性、作業(yè)效率方面仍然存在一定的差距。目前，國內(nèi)部分知名的挖掘機(jī)制造企業(yè)已在利用基于離散元方法工程機(jī)械一體化研究思路針對挖掘裝置及整機(jī)系統(tǒng)展開了全面研究。

圖 3-1 挖掘機(jī)作業(yè)過程

圖 3-2 不同形狀的顆粒建模

圖 3-3 挖掘機(jī)DEMSLab-MBD聯(lián)合仿真模型

       3.2. 農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用

       3.2.1. 滾輪播種機(jī)播種效率分析

隨著我國生態(tài)建設(shè)與土地改革的不斷推進(jìn)，對播種機(jī)的需求日益增加，如何提高播種機(jī)作業(yè)效率，成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。而虛擬仿真憑借其無風(fēng)險(xiǎn)、成本低、數(shù)據(jù)全、可重復(fù)性高等特點(diǎn)，逐漸成為了研究者手中的研究利器，并在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

如下所示，按照實(shí)際尺寸，一比一建立滾輪式播種機(jī)幾何模型，并借助DEMSLab的超橢球顆粒模型，構(gòu)建超橢球形狀的種子，在DEMSLab中，仿真分析滾輪播種機(jī)的播種過程，為研究人員的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

圖 3-4 滾輪播種機(jī)播種過程

       3.2.2. 旋耕機(jī)耕作過程分析

由于近三十年來，世界上人口數(shù)量激增，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止到2016年6月，世界上仍有八億人口掙扎在饑餓線上，使得土地和水等用于種植農(nóng)作物的資源越發(fā)緊張，因此減少耕種所使用的資源，增加農(nóng)作物的耕作效率顯得尤為重要。隨著國家農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加速，越來越多的旋耕機(jī)運(yùn)用到了農(nóng)耕作業(yè)中，大幅提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，有效的保證了農(nóng)耕、播種等農(nóng)耕活動的進(jìn)行。但隨著燃油等化石燃料的價(jià)格不斷飆升，有效的節(jié)約能源，降低耕種成本成為人們越來越關(guān)心的問題。旋耕刀具作為旋耕機(jī)的主要耕作部件，其與土壤的接觸模型，耕作過程中耕刀的動力學(xué)狀況、耕刀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問題是研究耕刀工作機(jī)理的主要研究方向，采用DEM模型模擬土壤和機(jī)械的高速作用是當(dāng)先較為有效的研究方法。

如下所示，建立旋耕機(jī)三維幾何模型，并借助DEMSLab軟件，建立土壤離散元模型。在DEMSLab中，仿真分析研究旋耕機(jī)耕作過程，以此優(yōu)化旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)，降低能耗，減少刀片磨損損耗。

圖 3-5 旋耕機(jī)耕作DEMSLab仿真

       3.3. 礦物機(jī)械應(yīng)用

       3.3.1. 半自動球磨機(jī)設(shè)備磨損分析

本案例采用DEMSLab軟件和內(nèi)置的侵蝕模型來預(yù)測SAG磨機(jī)內(nèi)部磨損。根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)情況下（轉(zhuǎn)速為10.5 rpm；提升桿面的角度為14°；提升桿高度為152 mm）的仿真結(jié)果。通過對比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本吻合，表明該方法的準(zhǔn)確性可以很好地預(yù)測SAG軋機(jī)內(nèi)的磨損。然后分別研究了旋轉(zhuǎn)速度、提升條的形狀等因素對磨損的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度對SAG磨機(jī)內(nèi)襯板的磨損有重大影響，同時(shí)提升條的形狀也會對SAG磨機(jī)內(nèi)襯的磨損產(chǎn)生影響，另外轉(zhuǎn)速會影響趾部區(qū)域內(nèi)礦石顆粒的尺寸分布，這對磨損分布也有重要影響。

圖 3-6 (a)顆粒分布和(b)顆粒速度分布

圖 3-7 模擬與實(shí)驗(yàn)的磨損分布對比

圖 3-8 不同轉(zhuǎn)速下SAG磨機(jī)內(nèi)顆粒運(yùn)動狀態(tài)

圖 3-9 不同磨機(jī)轉(zhuǎn)速下襯板的磨損速率分布

圖 3-10 不同提升條形狀下SAG磨機(jī)內(nèi)顆粒運(yùn)動狀態(tài)

       3.4. 顆粒流化過程應(yīng)用

       3.4.1. 流化床中的管道磨損

本案例采用基于Fluent和DEMSLab軟件的CFD-DEM耦合方法和磨損模型對流化床管內(nèi)的磨損進(jìn)行了預(yù)測。然后，根據(jù)模擬結(jié)果得到了床層管內(nèi)磨損的詳細(xì)特征。與實(shí)驗(yàn)對比證明，該DEM模型和侵蝕模型可以有效地預(yù)測流化床管內(nèi)的磨損。該方法不僅可以很好地預(yù)測磨損率的分布，而且可以很好地預(yù)測磨損率的絕對值。

圖 3-11 流化床氣體和固體顆粒采用不同摩擦系數(shù)的模擬:流體相的CFD結(jié)果(每組圖的左側(cè))和顆粒的DEM結(jié)果(每組圖的右側(cè)) (a)f = 0.1，(b) f = 0.3， (c) f = 0.5

通過模擬發(fā)現(xiàn)在床層的不同位置，管的磨損分布是不同的，而且位于床層不同位置的管的磨損率值也不同，另外顆粒的摩擦系數(shù)對管道的磨損也存在一定的影響。

圖 3-12 管道周圍的典型流動模式:

(a)被向上流動顆粒包圍的管道;(b)被氣體包圍的管道;

(c)被向下流動顆粒包圍的管道;(d)被準(zhǔn)靜態(tài)顆粒包圍的管道。

圖 3-13 流化床中時(shí)間平均局部固體分?jǐn)?shù)和累積局部(剪切和法向)沖擊能:

(a)管30°，(b)管28°

       3.4.2. 彎管氣力輸送及磨損數(shù)值預(yù)測

本案例基于CFD-DEM耦合方法研究了在不同工作條件下的彎管氣力輸送及磨損。通過CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）預(yù)測流體運(yùn)動，并在模擬中使用DEM（離散元方法）計(jì)算顆粒運(yùn)動。CFD-DEM中采用單向耦合方法和雙向耦合方法來計(jì)算氣固相互作用。根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了在稀薄的氣體顆粒流動條件下彎管磨損的預(yù)測結(jié)果。由于DEM和SIEM可以輕松應(yīng)用于稠密的氣體顆粒流，因此還研究了顆粒濃度對侵蝕的影響。結(jié)果表明，當(dāng)顆粒濃度較低時(shí)，耦合方法對侵蝕預(yù)測影響很小，而彎頭中的侵蝕對顆粒濃度非常敏感。最后，還通過模擬研究了摩擦系數(shù)，恢復(fù)系數(shù)和彈簧剛度系數(shù)對肘部腐蝕的影響，但其影響不如濃度大。

圖 2-14 Y-Z平面上的速度場和壓力場:(a)速度(m/s)和(b)壓力(Pa)

圖 3-15 通過對單向耦合和雙向耦合方法預(yù)測彎頭的侵蝕磨損

圖 3-16 單向耦合法和雙向耦合法的顆粒運(yùn)動或位置比較

圖 3-17 不同摩擦系數(shù)下彎頭的侵蝕剖面

       3.5. 過程工程應(yīng)用

       3.5.1. 振動分選設(shè)備模擬優(yōu)化

包覆燃料顆粒的畸形特征是導(dǎo)致燃料元件制造失敗的主要原因，因此燃料顆粒的球形分離是提高高溫氣冷堆（HTGR）安全特性的重要手段。傾斜振動篩（IVP）則是用來分離不同球形度顆粒的，它是基于不同顆粒所受的摩擦力不同而進(jìn)行分離的。利用DEMSlab對IVP的分離效果進(jìn)行預(yù)測，基于DEMSlab的超橢球功能，考慮實(shí)際燃料的不規(guī)則形狀。建立振動篩的離散分析模型，研究了顆粒碰撞對喂料速度的影響和最終的分離效率，以及振幅、頻率、傾角等參數(shù)對于分離效率的影響，通過分析優(yōu)化調(diào)整后，不合格顆粒在合格產(chǎn)品中的摻混比例小于1%，滿足了生產(chǎn)要求。對于再分選槽中的顆粒，則需要考慮反復(fù)篩選，提高材料的利用率。為改進(jìn)分選工藝，可考慮多級振動分離，同時(shí)改進(jìn)進(jìn)料槽和接收槽等的設(shè)計(jì)，來進(jìn)一步提高分離設(shè)備的效率。

圖 3-18 (a)真實(shí)燃料顆粒樣品圖，(b)QICPIC顆粒分析儀識別獲得的顆粒尺寸和顆粒球形度分布，(c)DEMSlab中用超橢球顆粒建立的離散元模型

圖 3-19 振動篩的結(jié)構(gòu)示意圖與DEMSLab的仿真分析模型

圖 3-20 a．綠色，藍(lán)色和紅色實(shí)線分別代表良性顆粒、畸形顆粒和異常顆粒的平均偏離角 b．分布范圍角和重疊分布角

圖 3-21 接收槽參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

       3.5.2. 雙螺旋錐形混合器混合過程模擬

雙螺旋錐形混合器是一種新型顆粒混合器，由于其具有較高的顆粒混合效率和較低的能耗，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，被廣泛應(yīng)用于各種各樣的過程工程。利用DEMSLab離散元仿真方法可以模擬混合器的實(shí)際運(yùn)行過程及其中的顆粒物料的運(yùn)動行為，以幫助工程師對這類裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及幫助設(shè)備操作人員改進(jìn)工藝流程及操作參數(shù)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。研究不同自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)速度對設(shè)備混合效率的影響，通過DEMSLab自帶的功率監(jiān)測功能分析了設(shè)備功率，同時(shí)做了混合器的磨損分析。

圖 3-22 設(shè)備模型及模擬過程主視圖（顆粒粒徑比分別為1, 2和3）

圖 3-23 螺旋采取不同自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)速度下的Lacey混合指數(shù)隨時(shí)間變化對比圖

圖 3-24 混合器功率隨自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)速度的變化

圖 3-25 雙螺旋槳表面磨損分布云圖

       3.6. 冶金工程應(yīng)用

       3.6.1. 基于DEMSLab布料過程模擬

布料機(jī)工作，主要包括主傳動與副傳動，二者既可獨(dú)立運(yùn)動，也可合成運(yùn)動。物料進(jìn)入受料斗，料斗旋轉(zhuǎn)一定角度，然后料斗下部的電動料鐘下行，將料加入窯內(nèi)。本案例基于DEMSLab軟件通過UCF函數(shù)對布料溜槽運(yùn)動狀態(tài)和不同時(shí)間的位置的調(diào)整，使得顆粒物料在料倉底部均勻鋪開，且厚度均勻。當(dāng)然，DEMSlab允許用戶進(jìn)行UCF函數(shù)自定義，可針對不同的布料要求進(jìn)行編寫，以滿足不同的布料要求。

圖 3-26 布料器建模設(shè)置

UCF(user C function)函數(shù)是通過定義不同時(shí)間段，溜槽部件繞中心軸的轉(zhuǎn)動速度和與地面的傾角，對溜槽所在的位置進(jìn)行定義。運(yùn)動的溜槽不斷對顆粒下落的方向進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到均勻布料的要求。

圖 3-27 布料結(jié)果與后處理展示