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)的復雜顆粒運動、傳熱、及顆粒-流體、顆粒-設(shè)備間的復雜作用，DEMSLab可幫助企業(yè)降低設(shè)備的能耗及損耗，提高設(shè)備的運行效率。

       2. DEMSlab軟件技術(shù)指標

       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，同時采用了三大類顆粒形狀模型，可以精確地描述任意真實顆粒形狀。

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行快速、準確的數(shù)值仿真。需要說明的是上述三類顆粒模型可以在同一個項目中同時使用，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. 支持復雜運動以及周期性邊界

DEMSLab軟件支持復雜結(jié)構(gòu)及運動（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，實現(xiàn)設(shè)備的復雜運動。

       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值。

       2.4. 先進的后處理器（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，可快速高效地實時顯示顆粒體系的運動過程，同時可對任意時刻的微觀受力情況進行分析。

軟件可提取顆粒幾乎所有的數(shù)據(jù)，包括顆粒的運行軌跡、顆粒的運行速度、顆粒的停留時間、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數(shù)，可用于分析氣粒混合均勻性。

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

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雜的邊界運動、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，可以實現(xiàn)顆粒-顆粒、顆粒-流體之間的物理化學動力學過程。

       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）進行轉(zhuǎn)換并導入，并進行幾何體單位的轉(zhuǎn)化。

且軟件具備對顆粒生成器的點線面體等多維度的CAD設(shè)計功能，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，可實現(xiàn)顆粒與流體之間的質(zhì)量交換?？蓪θ我鈺r刻的微觀受力情況進行分析，可提取顆粒幾乎所有的數(shù)據(jù)，包括顆粒的運行軌跡、顆粒的運行速度、顆粒的停留時間、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數(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，可以實現(xiàn)顆粒-設(shè)備之間復雜的動力學計算以及柔性設(shè)備的變形計算。

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)鏈接庫來實現(xiàn)。

       2.9. 自適應(yīng)求解器

軟件提供了固定時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)計算的結(jié)果實時調(diào)整時間步長。

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，在某個時刻生成一定數(shù)量的顆粒。動態(tài)顆粒生成，顆粒在一段時間內(nèi)生成顆粒，顆粒在每一個時間步內(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)進行程序設(shè)計，可在擁有多核處理器的共享內(nèi)存服務(wù)器或個人電腦上高效運行。DEMSLab軟件可在一臺具備32 GB內(nèi)存的計算機上對10,000,000顆粒規(guī)模的球形及非球形顆粒體系進行動態(tài)模擬，其計算速度取決于計算機上處理器的總核數(shù)及時鐘頻率。

       2.11. 軟件運行環(huán)境

DEMSLab軟件支持在Win10版本操作系統(tǒng)中運行，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)十個實際的案例教程，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. 工程機械應(yīng)用

       3.1.1. 挖掘機挖掘過程分析

挖掘機是工程建設(shè)與生產(chǎn)中最常見的土方機械，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)挖掘機企業(yè)逐漸加大研發(fā)力度進行產(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)部分知名的挖掘機制造企業(yè)已在利用基于離散元方法工程機械一體化研究思路針對挖掘裝置及整機系統(tǒng)展開了全面研究。

圖 3-1 挖掘機作業(yè)過程

圖 3-2 不同形狀的顆粒建模

圖 3-3 挖掘機DEMSLab-MBD聯(lián)合仿真模型

       3.2. 農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用

       3.2.1. 滾輪播種機播種效率分析

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

如下所示，按照實際尺寸，一比一建立滾輪式播種機幾何模型，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的播種過程，為研究人員的設(shè)計優(yōu)化提供理論指導。

圖 3-4 滾輪播種機播種過程

       3.2.2. 旋耕機耕作過程分析

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)機械化進程的加速，越來越多的旋耕機運用到了農(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)耕活動的進行。但隨著燃油等化石燃料的價格不斷飆升，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狀況、耕刀的結(jié)構(gòu)強度等問題是研究耕刀工作機理的主要研究方向，采用DEM模型模擬土壤和機械的高速作用是當先較為有效的研究方法。

如下所示，建立旋耕機三維幾何模型，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耕作過程，以此優(yōu)化旋耕機的設(shè)計，降低能耗，減少刀片磨損損耗。

圖 3-5 旋耕機耕作DEMSLab仿真

       3.3. 礦物機械應(yīng)用

       3.3.1. 半自動球磨機設(shè)備磨損分析

本案例采用DEMSLab軟件和內(nèi)置的侵蝕模型來預測SAG磨機內(nèi)部磨損。根據(jù)相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)定量驗證了標準情況下（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)果與實驗基本吻合，表明該方法的準確性可以很好地預測SAG軋機內(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磨機內(nèi)襯板的磨損有重大影響，同時提升條的形狀也會對SAG磨機內(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 模擬與實驗的磨損分布對比

圖 3-8 不同轉(zhuǎn)速下SAG磨機內(nèi)顆粒運動狀態(tài)

圖 3-9 不同磨機轉(zhuǎn)速下襯板的磨損速率分布

圖 3-10 不同提升條形狀下SAG磨機內(nèi)顆粒運動狀態(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)的磨損進行了預測。然后，根據(jù)模擬結(jié)果得到了床層管內(nèi)磨損的詳細特征。與實驗對比證明，該DEM模型和侵蝕模型可以有效地預測流化床管內(nèi)的磨損。該方法不僅可以很好地預測磨損率的分布，而且可以很好地預測磨損率的絕對值。

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)被準靜態(tài)顆粒包圍的管道。

圖 3-13 流化床中時間平均局部固體分數(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（計算流體動力學）預測流體運動，并在模擬中使用DEM（離散元方法）計算顆粒運動。CFD-DEM中采用單向耦合方法和雙向耦合方法來計算氣固相互作用。根據(jù)相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)驗證了在稀薄的氣體顆粒流動條件下彎管磨損的預測結(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，當顆粒濃度較低時，耦合方法對侵蝕預測影響很小，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行分離的。利用DEMSlab對IVP的分離效果進行預測，基于DEMSlab的超橢球功能，考慮實際燃料的不規(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，則需要考慮反復篩選，提高材料的利用率。為改進分選工藝，可考慮多級振動分離，同時改進進料槽和接收槽等的設(shè)計，來進一步提高分離設(shè)備的效率。

圖 3-18 (a)真實燃料顆粒樣品圖，(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，藍色和紅色實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?；旌掀鳎捎谄渚哂休^高的顆?；旌闲屎洼^低的能耗，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，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際運行過程及其中的顆粒物料的運動行為，以幫助工程師對這類裝備進行優(yōu)化設(shè)計及幫助設(shè)備操作人員改進工藝流程及操作參數(shù)，提高設(shè)備的運行效率。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

布料機工作，主要包括主傳動與副傳動，二者既可獨立運動，也可合成運動。物料進入受料斗，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)對布料溜槽運動狀態(tài)和不同時間的位置的調(diào)整，使得顆粒物料在料倉底部均勻鋪開，且厚度均勻。當然，DEMSlab允許用戶進行UCF函數(shù)自定義，可針對不同的布料要求進行編寫，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行定義。運動的溜槽不斷對顆粒下落的方向進行調(diào)整，最終達到均勻布料的要求。

圖 3-27 布料結(jié)果與后處理展示