Introduzione alla simulazione DEM

In questo articolo faremo un'introduzione alle simulazioni del Discrete Element Method (DEM), alle proprietà dei materiali e all'ottimizzazione dei parametri numerici nei software di simulazione.

Il comportamento dei solidi sfusi è stato studiato numericamente per più di mezzo secolo. A causa della loro natura discontinua, le particelle solide hanno iniziato a essere rappresentate da tecniche di modellazione discontinuo negli anni '60. La forma iniziale di DEM è emersa per risolvere i problemi di meccanica delle rocce ed è stata ampliata per includere materiali granulari. Tra la fine degli anni '90 e l'inizio degli anni 2000, il numero di pubblicazioni che fanno riferimento al DEM è aumentato in modo esponenziale. Nel frattempo, sono stati sviluppati e rilasciati diversi software di dinamica delle particelle. A quel punto sono entrati in gioco diversi software DEM.

Un programma di questo tipo è un risolutore di metodi di elementi discreti, con capacità di simulazione di accoppiamento strutturale, CFD e di altro tipo. Ha un'architettura orientata ai processi, in modo che gli utenti possano configurare facilmente i loro casi di simulazione dinamica del materiale sfuso, per settori come quello agricolo, farmaceutico, automobilistico, alimentare e altri. Grazie a questi software è possibile ridurre i costi di prototipazione e i tempi di progettazione, aumentare l'efficienza delle apparecchiature e ottimizzare la produzione.

Il programma è progettato per risolvere problemi di ingegneria ed è in grado di modellare forme di particelle reali inclusi solidi, gusci 2D e fibre rigide e flessibili. Le simulazioni sono veloci e accurate. Con la tecnologia del risolutore dell'unità di elaborazione grafica (GPU) è possibile simulare il comportamento di particelle di diverse forme e dimensioni in molte applicazioni industriali.

Sfide nella simulazione DEM

Che dire delle sfide quando i solidi sfusi vengono simulati? Prima di tutto, devi conoscere il tuo materiale, almeno alcune proprietà fondamentali del materiale come la densità e il modulo di Young.

Inoltre, le interazioni particella-particella e particella-confine contano se si desidera catturare il corretto comportamento delle particelle. Pertanto, alcuni parametri, come i coefficienti di attrito statico e cinetico, devono essere definiti in modo che le particelle solide incontrino una forza resistiva contro il loro movimento e alla fine smettano di rotolare e/o traslare.

La rappresentazione della forma delle particelle è un problema difficile se si hanno particelle particolarmente non sferiche. Se le particelle hanno spigoli vivi e/o angoli, il modello diventa molto più complicato e richiede formule sofisticate aggiuntive. Ricordiamo che molti solutori DEM utilizzano ancora solo particelle sferiche.

A questo punto, abbiamo un sacco di sfide e input da fornire e non abbiamo nemmeno avviato una singola simulazione. Diamo un'occhiata alle soluzioni per alcuni spunti.

Simulazione DEM

Come risolviamo i suddetti problemi? Rappresentare il comportamento reale dei materiali granulari non è un compito facile. Si inizia con le proprietà di base del materiale, quindi è necessario regolare alcuni parametri numerici in modo da poter avviare la simulazione. Fortunatamente, tutte queste sfide di cui sopra possono essere gestite grazie ai moduli orientati alla soluzione.

IUno specifico modulo integrato nel software aiuta ad avviare la tua simulazione anche se non hai idea del tuo materiale. Questo modulo pone alcune domande qualitative come avere una densità del materiale bassa, media o alta. Ad esempio, i prodotti in legno o il sughero sarebbero buoni esempi di materiali a bassa densità che hanno una densità di 300-800 kg/m3. La plastica e la roccia generiche sono materiali a media densità e hanno una densità di 2000-2500 kg/m3. D'altra parte, l'acciaio è un buon esempio di materiale ad alta densità che ha una densità di 8000 kg/m3. Verranno poste alcune domande aggiuntive sull'umidità o sulla secchezza del materiale. Alla fine di questo questionario, sarai in grado di selezionare una delle molteplici proprietà del materiale di cui hai bisogno.

Come accennato nella sezione precedente, l'interazione materiale è importante. Affrontando questo problema, il software presenta la suite di calibrazione in modo che gli utenti non debbano preoccuparsi della regolazione del coefficiente. Poiché avere coefficienti numerici corretti è un requisito iniziale per catturare il comportamento delle particelle come in natura, un altro specifico modulo consente di avere questi parametri numerici automaticamente. Una volta ottenuti i parametri sintonizzati, le tue simulazioni saranno nelle mani giuste.

Benefici del DEM

Qualcos'altro di vantaggioso? Citiamo in breve alcune funzionalità utili.

I parametri numerici sono fondamentali per ottenere risultati ragionevoli. Poiché il tempo che dedichiamo a una simulazione ha un limite, questi parametri devono essere acquisiti il ​​prima possibile. Nei software ci sono moduli piuttosto utili per avviare un processo di simulazione affidabile.

La rappresentazione della forma reale delle particelle è in molti casi uno dei grandi vantaggi per le applicazioni DEM. È possibile definire o importare la forma delle particelle dalle forme più semplici a quelle più complesse. Oltre ai tipi di fibra, guscio e particelle solide che possono essere creati facilmente con un clic, puoi persino generare i tuoi assemblaggi di particelle.

Inoltre, le capacità di calcolo ad alte prestazioni (HPC) possono simulare un gran numero di particelle di dimensioni reali e di forma reale più velocemente e con un minore utilizzo della memoria. Per accelerare la velocità di simulazione, si consiglia vivamente l'utilizzo di più GPU/CPU. Sfrutta questa capacità per ridurre il tempo della tua analisi da giorni a ore.

Infine, ma non meno importante, vale la pena menzionare la modellazione della rottura. Alcuni materiali sono fragili sotto determinate forze. I software DEM sono in grado di calcolare con precisione le forze che agiscono sulle particelle e la rottura delle particelle a seconda delle loro caratteristiche e tipi, come fibre solide o uniformi.

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