离散元分析软件 - EDEM

1 EDEM软件介绍

EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。

                                  图1 EDEM结构框架及功能

EDEM主要由三部分组成：Creator、Simulator和Analyst。Creator是前处理工具，完成几何结构导入和颗粒模型建立等；Simulator是求解器，用于模拟颗粒体系的运动过程；Analyst是后处理模块，提供了丰富的工具对计算结果进行分析。

1.1颗粒几何建模

现实世界中，颗粒状物质形状各异、千差万别，而形状对颗粒体系的运动情况又有着重要的影响。EDEM的前处理工具可以精确描述颗粒的几何外形，Creator通过球面填充技术，将颗粒的表面用若干球面的组合表征，不仅能体现颗粒的非球形特征，又可以使颗粒的接触满足球面接触的物理模型。

                              图2 颗粒建模界面

                             图3 各种形状的颗粒

1.2 颗粒工厂技术

EDEM特有的颗粒工厂技术（Particle Factory ^TM），可以根据用户需要，设置颗粒的初始位置、生成速率、颗粒种类、粒径分布等。

                 图4 按正态分布生成的颗粒

      图5 指定颗粒生成的位置（红色区域）

1.3丰富的接触模型

接触模型用于描述颗粒之间或颗粒与结构体之间发生接触后产生的相互作用及其他热、电等接触效应，对准确模拟颗粒运动行为至关重要。EDEM软件提供了多种经过理论及实验验证并公开发表的颗粒接触模型供选择，模型参数可按照用户自己的工况与数据设定。

EDEM内置接触模型可以满足大多数工程应用需要，然而实际问题千变万化，不可能涵盖所有情况。因此，EDEM提供了API(Application Programming Interface) 二次开发接口，使用户可以根据特殊问题定制模型，最大程度满足仿真模拟的要求。

1.4 API二次开发功能

EDEM软件提供了四个方面的API接口：颗粒接触模型、颗粒体积力、颗粒工厂和外部耦合。自定义接触模型可以让用户定制独特的接触作用，如摩擦时的电荷传递、特殊应力-应变关系等；自定义体积力可以模拟各种场效应，如电磁场、单向耦合流场等；自定义颗粒工厂则能够实现颗粒初始状态的精确定义，模拟特殊的分布状态。

外部耦合接口则包含了CFD耦合与MBD耦合，前者可以将EDEM与各类CFD软件或代码耦合，实现颗粒多相流问题模拟；后者则为重工、机械等行业研究设备结构与颗粒物料的相互作用提供了强大工具。

1.5 多种几何文件接口

EDEM支持多种格式的几何文件。通过几何文件，用户可以将其他CAD软件建立的机械设备几何模型导入EDEM，减少了重复建模和对模型的修整，提高建模效率。目前，EDEM所支持的几何文件格式如下表所示。

        图6 导入几何模型

图7 EDEM支持的标准文件类型

1.6 高效的求解技术

利用DEM求解器Simulator 进行模拟，可以快速、有效地监测离散颗粒间的碰撞；能够选用动态时间步长；软件既可以在单个处理器上运行，也支持多处理器并行计算；可以通过模型参数的可视化图表来分析模拟结果，从而快速地识别趋向和修正结果。

图8 Simulator界面

EDEM利用离散单元法进行计算，其基本思想是把介质看作由一系列离散的独立运动的单元（粒子）所组成，单元的尺寸是细观的，利用牛顿第二定律建立每个单元的运动方 程，并用显示中心差分法求解，整个介质的变形和演化由各单元的运动和相互位置来描述。在解决连续介质力学问题时，除了边界条件以外，还有3个方程必须满足，即本构方程、平衡方程和变形协调方程。进行离散元数值计算时，往往通过循环计算的方式，跟踪计算材料颗粒的移动状况。

                                    图9 计算流程示意图

每一次循环包括两个主要的计算步骤：

(1)由作用力、反作用力原理和相邻颗粒间的接触本构关系确定颗粒间的接触作用力和相对位移；

(2)由牛顿第二定律确定由离散单元法及其在EDEM上的实践相对位移在相邻颗粒间产生的新的不平衡力，直至要求的循环次数或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡。并且计算过程按照时步迭代遍历整个颗粒体，计算时间的长度可以根据需要自行设定。

对于某些特定的问题，DEM模拟可能会所需要很大的计算量，单处理器计算往往难于满足仿真的要求。EDEM的并行计算模块是分析该类问题的有力工具。图11给出Processor数目对计算速度的影响，能够知道随着处理器数目的增加，计算速度近似线性增长。该测试是在2x Quad-core 3.2 GHz Intel Xeon 、8GB内存和Windows XPProfessional x64 Edition (SP2)操作系统上进行的。

                          图10 Processor个数变化对计算速度影响

1.7丰富的后处理工具

后处理模块（Analyst）提供了对仿真结果进行分析和判断的非常丰富的工具。可以用动画方式显示仿真过程，用图表显示仿真结果，创建动画文件并可输出结果数据到其他处理程序中。

图11 3D动画显示

图12 剖面显示

图13 各种类型的统计图表

（a）原型显示粒子                                         （b）向量显示粒子

（c）流线方式显示粒子                                   （d）球锥方式显示粒子

图14 不同类型的粒子显示方式

2 EDEM技术优势

EDEM软件是基于离散元方法的工程CAE软件，其主要优势体现在：

1. EDEM具有完善的建模流程方案，实现工程问题的轻松建模，包括选取合适接触模型并定制模型参数、创建各类非球形颗粒、支持主流三维CAD模型导入并设定各个部件的复杂运动等；

2. EDEM具有与FEA、MBD、CFD等软件的联合仿真能力，适合更加深入的分析要求和复杂问题的研究；

3. EDEM的API二次开发接口可自定义颗粒接触模型、体积力和颗粒工厂，用户可依此为特殊问题定制模型；

4. EDEM的先进的求解器可快速求解离散元问题，支持并行计算提高求解速度，满足工程应用的时间周期要求；

5. EDEM具有丰富的后处理工具，方便用户快速准确的分析模型，获得具有参考价值的模拟结果，进而指导工程实践；