Метод дискретных элементов (DEM) – это система численного моделирования, используемая для анализа поведения гранулированных твердых частиц сыпучих материалов. Моделирование частиц сыпучих материалов является непростой задачей из-за сложных способов взаимодействия различных дискретных элементов или частиц друг с другом и с окружающей средой. Сыпучий материал не существует изолированно. Часто он взаимодействует с элементами конструкции изделия или находится в потоке жидкости. В этом смысле DEM является расширением традиционной вычислительной гидродинамики (CFD) и анализа методом конечных элементов (FEA). Известно, что гранулированные потоки могут проявлять поведение, подобное твердому телу и жидкости, или их комбинации.
В этом году компании ESSS и Ansys работали вместе над созданием улучшенного процесса моделирования методом DEM для быстрого анализа и оценки движения частиц в многочисленных промышленных приложениях. Результатом стал новый продукт Ansys Rocky, выпущенный Ansys. Он призван помочь точно и эффективно моделировать эти движение частиц и их взаимодействие с жидкостями и конструкциями.
Высокая скорость и точность Ansys Rocky поддерживаются благодаря нескольким графическим картам (GPU) и возможности реалистичного моделирования несферических форм. Изготовление и эксплуатация почти 70% промышленных продуктов, от конфет до пылесосов, включает в себя работу с потоками сыпучих гранулированных материалов. В них взаимодействуют частицы разного размера и сложной формы, потенциально влияя на эффективность продукта или его структурную целостность.
Для точного и эффективного решения такой сложной задачи проектирования инженерам требуется инструмент для моделирования методом дискретных элементов, такой как Rocky. Он обеспечивает:
- Мульти-GPU решатель.
- Работу со сложными формами частиц, включая гибкие волокна и оболочки.
- Моделирование, основанное на законах физики, включая построение моделей разрушения частиц.
- Моделирование динамики множества тел.
- Интеграцию с инструментами CFD и FEA.
- Кастомизацию и автоматизацию пользовательского интерфейса.
Как работает метод DEM
Rocky – это метод моделирования без построения сетки, который решает уравнение динамики для каждой отдельной частицы. Самым важным моментом для обеспечения высокой точности моделирования является учет всех сил, действующих на каждую частицу. Ниже описан алгоритм моделирования методом дискретных элементов:
| Настройка | Пользователь импортирует геометрию, определяет группы частиц (кластеры), характер взаимодействия между частицами и характер взаимодействия частиц с твёрдыми поверхностями. |
| Моделирование |
Для каждой отдельной частицы программа выполняет следующее: - Размещает в пространстве соседние частицы, а также границы, с которыми контактирует каждая частица. - Рассчитывает совокупность всех сил и моментов, действующих на частицу. |
| Движение | Учитывая текущие координаты частицы, скорость и временной интервал, Rocky DEM моделирует движение частицы в следующую позицию. |
Если частицы все еще находятся в пределах границ моделирования, программа продолжает цикл моделирования.
Основой метода DEM является точное вычисление сил, действующих на каждую моделируемую частицу. Для этого необходим надежный и точный алгоритм вычисления контактов между частицами. Обнаружение контактов и способность точно моделировать частицы различной формы является критически важным отличием между DEM-кодами.
Стандартные DEM-коды применяют метод кластеров частиц или «склеенных» сфер. Rocky использует многогранные формы. Это обеспечивает множество преимуществ, среди которых:
- Точное отображение формы, включая острые углы и края;
- Реальные формы частиц, обеспечивающие точное моделирование взаимодействия частиц между собой;
- Поддержка моделирования процесса разрушения.
Glued spheres – «Cклеенные» сферы
Standard DEM Codes – Cтандартные DEM-коды
Polyhedral shape - Полиэдрическая форма
Sharp Edges – Острые края
Расширенные возможности моделирования с Ansys Rocky
Для точного описания и прогнозирования явлений на уровне частиц необходимы широкие возможности моделирования. Rocky предлагает ведущие инструменты моделирования для получения наиболее точных результатов.
Многодисциплинарное моделирование
Rocky интегрирован в среду Ansys Workbench и легко взаимодействует с Ansys Fluent и Ansys Mechanical для совместного решения задач CFD-DEM и FEA-DEM.
Существует два метода моделирования CFD-DEM: одностороння или двусторонняя связь. При односторонней связи поток жидкости влияет на поток частиц, но частицы не влияют на поток жидкости. А при двусторонней поток жидкости влияет на движение частиц, а частицы, в свою очередь, влияют на движение жидкости.
При моделировании FEA-DEM для оценки напряжений в конструкции происходит экспорт нагрузок из Rocky в Ansys Mechanical. Соединив Mechanical с Rocky, инженеры могут моделировать нестационарные процессы с учетом движения деталей и изменяющихся во времени нагрузок на контактирующие граничные поверхности.
Сложные формы частиц
Rocky позволяет моделировать систему с реальными формами и размерами частиц, задавая как круглые, так и многогранные формы. Для создания собственных уникальных наборов частиц можно смешивать и сочетать различные комбинации форм, размеров, гибкости и адгезии. Также есть возможность использовать формы по умолчанию либо определять и импортировать свои собственные формы, включая волокна и оболочки, как жесткие, так и гибкие.
Разрушение
Уникальная дискретная модель разрушения Rocky сохраняет массу и объем частиц сложной формы, учитывая место столкновения на поверхности частицы вместе с последующими внутренними напряжениями. Такой подход позволяет точно смоделировать разрушение и распространение трещин в зависимости от формы частиц.
Адгезия
Rocky может работать как с сухими, так и с влажными сыпучими материалами. Влажные материалы создают дополнительные сложности для моделирования, связанные с когезией/адгезией. Rocky учитывает их путем моделирования силы адгезии как функции напряжения и масштабирования ее с контактными усилиями. Решение предлагает несколько различных моделей для описания сил адгезии, которые могут действовать по-разному в зависимости от конкретной ситуации использования материала.
Гибкие волокна
Гибкие волокна можно смоделировать путем соединения сфероцилиндров с помощью виртуальных связей, обладающих упругими и вязкими свойствами. Относительное смещение между ними может вызвать линейные и угловые деформации связей. Это приводит к изгибу и гибкости волокнистого материала.
Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/simulate-particle-behavior-with-ansys-rocky