EDEM离散元分析软件

2016.No010 2摘 要 随着数值仿真技术的发展，EDEM离散元软件在解决工程问题中发挥着越来越重要的作用。

本文介绍了离散元法的基本原理，通过与PFC离散元软件的对比说明了EDEM软件的功能特点；在阅读大量文献的基础上梳理了EDEM在农业、工业以及土木工程领域的应用情况，并分析了EDEM离散元软件的最新进展以及未来的发展趋势。

关键词 离散元 数值仿真 非连续统 颗粒流0 引言离散元法（Distinct Element Method，DEM）是由Peter Cundall于1971年提出的一种针对复杂非连续系统的动力学问题的新型数值方法。

该方法适用于在准动、静力条件下的块状集合或节理系统的力学问题的研究，最初用来分析岩石边坡的运动。

1980年开始，Cundall等人把离散元法的思想运用到颗粒状物质的微破裂、破裂扩展和颗粒流动等问题研究上[1-2]。

此后，离散元法在理论研究及应用方面均取得了许多进展，逐步运用到化工、土木、农业、矿业等领域中。

在离散元法的发展过程中，多款离散元软件陆续被开发出来。

目前，Peter Cundall加盟的ITASCA工程咨询公司是国际上开发离散元法软件最出名的软件公司。

该公司开发出了二维UDEC(Universal Distinct Element Code)、三维3DEC(3-Dimensional Distinct Element Code)和PFC2/3D（particle flow code in 2/3 dimensions）等离散元程序。

其中UDEC、3DEC是基于显式解题方案的计算工具，为岩土工程提供精确有效分析，特别适用于固体介质在荷载作用下的动静态问题处理。

PFC2/3D是ITASCA公司针对岩体工程中破裂和破裂发展问题EDEM及其应用研究与最新进展王 雪 何 立 周开发（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074）开发出的离散元程序，它可以模拟任意大小、任意形状的二维或三维颗粒的运动情况，并能够分析颗粒与颗粒之间的强大作用[3]。

主要的离散元软件介绍离散元方法（DEM）首次于20世纪70年代由CundallandStrack 在《A discrete numerical model for granular assemblies》一文提出，并不断得到学者的关注和发展。

PFC3D模拟效果该方法最早应用于岩石力学问题的分析，后逐渐应用于散状物料和粉体工程领域。

由于散状物料通常表现出复杂的运动行为和力学行为，这些行为难以直接使用现有基本理论，尤其是基于连续介质理论的方法来解释，而进行实验研究则成本高、周期长，DEM仿真技术的应用范围将会越来越广。

（1）商用软件目前开发离散元商用程序最有名的公司要属由离散元思想首创者Cundall加盟的ITASCA国际工程咨询公司。

该公司开发的二维UDEC(universal distinct element code)和三维3DEC(3-dimensional distinct elementcode)块体离散元程序，主要用于模拟节理岩石或离散块体岩石在准静或动载条件下力学过程及采矿过程的工程问题。

该公司开发的PFC2D和PFC3D(particle flow code in 2/3 dimensions)则分别为基于二维圆盘单元和三维圆球单元的离散元程序。

它主要用于模拟大量颗粒元的非线性相互作用下的总体流动和材料的混合，含破损累计导致的破裂、动态破坏和地震响应等问题。

EDEM是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒的处理和生产操作的通用CAE软件。

使用EDEM，可以快速、简便的为颗粒固体系统建立一个参数化模型，可以导入真实颗粒的CAD模型来准确描述它们的形状。

现在大量应用于欧美国家中的采矿、煤炭、石油、化工、钢铁和医药等诸多领域。

中国科学院非连续介质力学与工程灾害联合实验室与极道成然科技有限公司联合开发了国内最新的离散元大型商用软件GDEM，该软件基于中科院力学所非连续介质力学与工程灾害联合实验室开发的CDEM算法，将有限元与块体离散元进行有机结合，并利用GPU加速技术，可以高效的计算从连续到非连续整个过程。

基于离散元方法的EDEM软件介绍2012年09月离散元方法简介传统的力学研究都是建立在连续性介质假设的基础上的，即认为研究对象是由相互连接没有间隙的大量微团构成。

然而，这种假设在有些领域并不适用，如：岩土力学。

1971年，CUNDALL提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法，离散元方法（Discrete Element Method，简称DEM），理论基础是结合不同本构关系（应力-应变关系）的牛顿第二定律。

随后，这种方法被越来越广泛的应用于涉及颗粒系统地各个领域。

通过求解系统中每个颗粒的运动学和动力学方程（碰撞力及场力），不断地更新位置和速度信息，从而描述颗粒系统行为。

EDEM软件介绍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工作；Simulator是求解器，用于模拟颗粒体系的运动过程；Analyst是后处理工具，对计算结果进行各种处理。

图1.1 EDEM结构框架及功能Creator——EDEM的前处理工具EDEM的前处理工具Creator主要完成建模工作，包括：材料参数设置，确定颗粒形状、颗粒产生方法、几何设备导入及运动特性描述等。

Creator的颗粒几何形状建模现实世界中，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1.2 颗粒建模界面图1.3 采用球面填充方法表征颗粒形状图1.4 各种形状的颗粒颗粒工厂技术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1.5 按正态分布生成的颗粒图1.6 指定颗粒生成的位置（红色区域）EDEM的材料数据库EDEM的材料数据库允许客户将所关注领域内的各种材料整理成库，在每次建模仿真时，直接从库里导出，不仅减少了用户建模时查找数据的繁琐工作，实现了相关数据的管理和积累。

64近年来，采用计算机离散元分析的转运站主动抑尘技术在火力发电厂运煤系统中的应用推广速度较快，大部分工程取得了明显效果。

但是，由于我国火力发电厂燃煤品类及特性较多，各转运站工艺布置情况又差别较大，设计人员匮于工程经验不足和对软件的运用水平较低，导致仍有部分工程实际运行情况达不到设计效果。

本文从工程实际问题和物料校准两个层面出发，介绍如何更好地运用EDEM BulkSim 离散元仿真技术进行转运点分析和设计，以抑制或解决转运站运行过程中的堵塞、磨损、扬尘、撒料和跑偏等实际问题。

1.运煤系统传统设计方法及其局限性1.1 运煤系统传统设计方法在离散元仿真技术成熟之前，转运站设计方式一直依靠的是有经验的“老”工程师，靠人工计算料流轨迹和多年积累的项目经验来设计，规避可能出现的工程问题和风险。

传统料流分析推演方法如图1所示。

通过假设料流，对其抛出轨迹、落点和角度进行计算。

根据计算得出结果来进行转运站的一系列设计。

传统设计方法也分为多种复杂的情况，如图2所示，原点位置的圆圈代表了带式输送机滚筒，所有的曲线分别代表某种条件下的料流抛出曲线。

红色曲线表示的料流轨迹是带有空气阻力的模型；而绿色曲线代表较湿物料形成的不同抛出速度的料流轨迹；紫色和玫红色分别代表了其他算法下的料流轨迹。

图2中所有的算法都是正确的，关键在于对具体工况和物料整体情况进行判断，才能对影响因素进行合理取舍，并选择合适的算法。

每一种算法都不只是简单的运动学计算，再加上涉及到落差较高、工况较复杂的转运站，每次运算都依赖于上一次运算的正确性。

其“正确性”不仅体现在料流轨迹的正确，还体现在对物料湿度、料流厚度、汇运用EDEM BulkSim 离散元仿真解决运煤系统常见运输问题浅析■ 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司 柏荣EDEMBulkSim 中国代表处 王一强 宋孚杨聚程度、三维空间等因素的考量。

所以，靠人工计算来设计一个好的转运站，对工程师的要求是极高的。

离散单元法在沥青路面中的应用介绍摘要：编者通过对沥青混合料设计的发展简述，并向大家展示了一种新型的设计理念，即基于沥青混合料的微观分析，采用计算机虚拟实验，预估在不同条件下沥青路面的宏观性能，从而实现设计应用。

上述方法尚存在对微细观结构研究不足的问题，而基于离散单元法的材料空间结构建模方法，正为实现沥青路面结构的微观力学分析提供了一种途径。

编者综述了离散单元法的研究现状，并对其基本思想及应用软件进行了大致介绍，希望能以此引发离散元在沥青路面力学特性分析应用中的一些思考。

一、研究背景及发展历程（一）沥青混合料的研究20世纪，关于沥青混合料的研究均局限于基于现象学的经验法。

两个途径：(1)经验关系式；(2)室内试验。

经验关系式是混合料的各种包含物与混合料的基本特性（如动态复合模量、抗压强度、抗拉强度和劈裂强度）之间的数理统计关系，由于样本量限制，忽略了很多重要的因素。

因而在实际应用中，很少采用经验关系式预测沥青混合料性能，而不得不做昂贵耗时的室内试验。

20世纪90年代美国SHRP（Strategic Highway Research Program）研究计划提出关于沥青胶结料与混合料的Superpave设计体系。

Superpave与传统的Marshall设计法一样，局限于研究沥青混合料宏观品质与路用性能的关系，且预测路面性能之前仍需进行一系列费用高、操作复杂的试验。

当前，开始出现一种新的沥青混合料设计理念，即通过力学手段设计沥青混合料，设计流程如下：（基于微观力学方法的沥青混合料设计）要达到这样的目的应首先解决如下问题：(1)是否可以不做复杂的试验即可获得其力学性能；(2)是否可以突破经验方法的局限；(3)是否可以摒弃连续均质力学方法；(4)如何获得性能经济最优的沥青混合料。

要解决上述问题，就需要从微观尺度研究混合料结构对性能影响的机理，应用力学方法定量估计混合料的力学性能，改变传统基于经验的混合料设计理念。

主题：edem 2020 帮助手册内容：1. 欢迎使用edem 20202. edem 2020的功能概述3. 如何开始使用edem 20204. 在edem 2020中进行模拟5. 模拟结果分析与导出6. edem 2020的技术支持和帮助资源欢迎使用edem 2020edem 2020是一款专业的离散元分析软件，可以用于模拟和分析颗粒材料的力学行为。

本帮助手册将为您提供edem 2020的全面介绍和操作指南，帮助您快速上手使用这款强大的软件。

edem 2020的功能概述edem 2020具有以下主要功能：- 离散元模拟：可以模拟颗粒材料在各种工程应用中的行为，如岩土工程、振动筛选、物料处理等。

- 高度可视化：支持3D可视化显示，能够直观展示颗粒材料的运动和相互作用。

- 结果分析：提供丰富的模拟结果分析功能，可以对颗粒材料的力学行为进行深入分析。

- 多领域应用：适用于矿业、土木工程、冶金、化工等多个领域。

如何开始使用edem 2020要开始使用edem 2020，您需要首先进行以下步骤：1. 下载并安装edem 2020软件。

2. 注册并激活edem 2020，获取使用权限。

3. 阅读本帮助手册，了解软件的功能和操作方法。

在edem 2020中进行模拟在edem 2020中进行模拟操作非常简单，按照以下步骤进行：1. 创建新的模拟项目，设置模拟参数和颗粒材料性质。

2. 导入几何模型，初始化颗粒材料的位置和属性。

3. 设置模拟边界条件和加载条件。

4. 运行模拟并观察颗粒材料的行为。

模拟结果分析与导出edem 2020提供了丰富的结果分析功能，您可以进行以下操作：1. 查看颗粒材料的运动轨迹和相互作用力的分布。

2. 分析颗粒材料的压实度、应力和变形情况。

3. 导出模拟结果数据，生成报告或进行进一步的处理和分析。

edem 2020的技术支持和帮助资源如果您在使用edem 2020的过程中遇到任何问题，可以通过以下方式获取帮助：1. 访问冠方全球信息站，查看常见问题解答和用户手册。

一、概述edem是一种离散元模拟软件，用于模拟颗粒材料之间的相互作用和运动。

在进行模拟过程中，用户往往需要获取颗粒模拟结果的坐标信息，以便进行后续的分析和处理。

edem提供了丰富的后处理功能，可以方便地导出颗粒坐标信息，本文将介绍如何在edem中进行后处理并导出颗粒坐标信息。

二、edem后处理功能概述1. 后处理是对模拟结果进行分析和处理的过程，edem提供了丰富的后处理功能，包括颗粒坐标信息的导出、颗粒分布的可视化、颗粒运动轨迹的分析等。

2. 后处理功能可以帮助用户更好地理解模拟结果，提高模拟的准确性和可靠性。

三、导出颗粒坐标信息的步骤1. 打开edem软件并加载模拟结果文件，进入后处理界面。

2. 在后处理界面的菜单栏中选择“颗粒坐标信息”功能。

3. 在弹出的对话框中设置需要导出的颗粒信息，包括颗粒类型、颗粒属性等。

4. 点击“导出”按钮，选择保存文件的路径和格式，完成颗粒坐标信息的导出。

四、颗粒坐标信息的应用1. 导出的颗粒坐标信息可以用于颗粒分布的分析，包括颗粒的大小分布、位置分布等。

2. 颗粒坐标信息还可以用于颗粒运动轨迹的分析，包括颗粒的速度、加速度、运动路径等。

3. 颗粒坐标信息的导出为后续的模拟分析和处理提供了基础数据。

五、注意事项1. 在导出颗粒坐标信息时，要注意选择合适的颗粒类型和属性，确保导出的信息符合实际需求。

2. 导出的颗粒坐标信息需要进行数据处理和分析，以便得出有意义的结论和结果。

3. 掌握edem后处理导出颗粒坐标信息的方法，有助于提高模拟结果的分析和应用能力。

六、结语edem提供了丰富的后处理功能，可以方便地导出颗粒坐标信息，并通过进一步的分析和处理，为模拟结果的应用提供支持。

掌握导出颗粒坐标信息的方法，对于从事颗粒动力学模拟和分析的研究人员和工程师来说是非常重要的。

希望本文介绍的内容能帮助用户更好地利用edem的后处理功能，提高模拟结果的价值和应用能力。

七、颗粒分布的分析使用edem导出的颗粒坐标信息，可以进行颗粒分布的分析。

EDEM 是英国DEM-Solution 公司的产品之一，决软件,该软件的主要功能是仿真、分析和观察粒子流的运动规律。

（Distinct Element Method ，简称DEM ）是美国学者Cundall P.A.教授在1971基于分子动力学原理时首次提出来的，主要应用于分析岩石力学问题，连续数值模拟方法。

作为一种新兴的散料分析方法，离散元已经迅速成长起来。

在，制药、化学药品、矿物、原料处理，包括石油和煤气的生产、农业、建筑业、工程等很多产业都已应用EDEM 进行设计，并取得了较好的效果。

利用EDEM 可以解决物体的混合和分离、收缩破裂和凝聚、损、固－液流的条件、机器部件对颗粒碰撞的力学反应、腐蚀、理、热和质量传递、化学反应动力学、沉降和颗粒从固液体系中的去除、的处理、干湿固体的压缩、粘性和塑性力学、胶体和玻璃体的行为等诸多问题。

且EDEM 能够检查由颗粒尺度所引起的操作问题，求，获得不易测量的颗粒尺度行为的信息，目前，离散元已经发展到三维可视化阶段，无论是其操作的简便性、能，还是其后处理功能都有很大的提升。

杂问题的处理模块，进而完善了整个软件的分析功能。

将EDEM 与现有的CAE 具结合应用，能够快速简便地进行设计分析，进而减少开发成本和开发时间。

利用前处理器Creator 进行建模定义颗粒。

颗粒的几何形状及物理性质等，可以是任意形状的颗粒。

真实颗粒的CAD 模型，准确描述它们的形状。

通过添加力学性质、它物理性质来建立颗粒模型，并且在模拟过程中，据库中。

定义颗粒所在的环境。

创建几何、导入机械几何的CAD 模型、力学性质、用Particle Factory 工具定义颗粒的生成工厂等，来高效生成颗粒集合，其中机械形状可以作为固体模型或表面网格从CAD CAE 软件中导入。

机械组成部分是可以集成的，动力学特性。

利用DEM 求解器Simulator 进行动态模拟动态模拟不仅能够快速、有效地监测离散颗粒间的碰撞，间步长。

基于离散元方法的EDEM软件介绍2012年09月离散元方法简介传统的力学研究都是建立在连续性介质假设的基础上的，即认为研究对象是由相互连接没有间隙的大量微团构成。

然而，这种假设在有些领域并不适用，如：岩土力学。

1971年，CUNDALL提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法，离散元方法（Discrete Element Method，简称DEM），理论基础是结合不同本构关系（应力-应变关系）的牛顿第二定律。

随后，这种方法被越来越广泛的应用于涉及颗粒系统地各个领域。

通过求解系统中每个颗粒的运动学和动力学方程（碰撞力及场力），不断地更新位置和速度信息，从而描述颗粒系统行为。

EDEM软件介绍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工作；Simulator是求解器，用于模拟颗粒体系的运动过程；Analyst是后处理工具，对计算结果进行各种处理。

图1.1 EDEM结构框架及功能Creator——EDEM的前处理工具EDEM的前处理工具Creator主要完成建模工作，包括：材料参数设置，确定颗粒形状、颗粒产生方法、几何设备导入及运动特性描述等。

Creator的颗粒几何形状建模现实世界中，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1.2 颗粒建模界面图1.3 采用球面填充方法表征颗粒形状图1.4 各种形状的颗粒颗粒工厂技术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1.5 按正态分布生成的颗粒图1.6 指定颗粒生成的位置（红色区域）EDEM的材料数据库EDEM的材料数据库允许客户将所关注领域内的各种材料整理成库，在每次建模仿真时，直接从库里导出，不仅减少了用户建模时查找数据的繁琐工作，实现了相关数据的管理和积累。

扬帆起航离散元仿真软件EDEM在增材制造领域的应用SLS（Selective Laser Sintering ）选择性激光烧结金属粉末、高分子粉末等SLS工艺过程示意图SLS成件质量关键影响因素粉末•粉末材质•粉末形状•粉末粒径分布•粉床密度及均匀性铺粉工艺参数（辊子式为例）•送粉方式•辊子半径•辊子转动速度•辊子平动速度•…粉末预热温度场•预热方式•温度控制•…影响粉末最终状态结论：粉末颗粒属性及行为成为研究SLS的关键！粉末颗粒的特性不可无限细分有粒径级配要求抗剪、碰撞反弹散料研究的挑战引入离散元方法（D iscrete E lement M ethod, 简称DEM）离散元方法及EDEM功能介绍离散元方法（D iscrete E lement M ethod, 简称DEM）1970s，Cundall和Strack提出首先提出了离散元方法，用于模拟非连续介质动力力学及相关行为的数值计算方法➢Lagrange体系下的求解牛顿第二定律➢对体系内每个离散单元进行动力学模拟颗粒系统的模拟流程EDEM CreatorEDEM SimulatorEDEM AnalystEDEM Coupling InterfaceExtended capacitiesEDEM 构架与功能前处理器•颗粒建模•CAD 结构与运动建模•接触模型设置二次开发接口•C++语言•自定义物理数学模型耦合接口•多体动力学•计算流体力学•结构有限元•其他物理场EDEM API后处理器•图片/动画生成•曲线图、柱状图分析•模拟数据导出求解器•多核共享内存式并行•GPU 加速计算功能•动态计算技术/颗粒冻结技术•计算速度最快的商业离散元代码EDEM构架与功能1. 基于球面法的颗粒建模方法2. 利用多球面组合建立非球形颗粒3. 基于颗粒模板的自动球面填充技术完善的颗粒建模功能3D 打印尼龙粉末颗粒形状EDEM构架与功能颗粒粒径分布方式Fixed Random Lognormal User defined Normal内置多种颗粒粒径分布设置模式适用于各种不同的仿真工况需求完善的颗粒建模功能激光粒度仪尼龙粉末粒径分布（正态分布）▪GEMM 数据库▪通用EDEM 材料模型库，基于多年工程经验及物料参数研发▪提供多种参数取值范围▪快速确定物料和设备的物理特性以及它们之间相互作用参数完善的颗粒建模功能便捷的几何导入与运动设置内置建模功能通用几何文件3D 建模文件Box.igs .igesCATIACylider .msh PRO/E Ploygon.stl SOLIDWORKS.stp .stepUG1.八种运动形式1）四种基本运动：Linear Translation/Linear Rotation/Sinusoidal Translation/Sinusoidal Rotation2）两种皮带输运专用运动形式：Conveyor Translation/Conveyor Rotation 3）力和力矩驱动载荷：Force Controller/T orque Controller 2. 运动复制和继承功能Hertz-Mindlin EEPAHertz-Mindlin +JKRHysteretic SpringStandardRVDTribocharging Archard Wear bonded Relative WearHeat ConductionLiner SpringLinear cohesion基础接触模型滚动摩擦模型附加接触模型基于API 开发的自定义接触模型自定义模型丰富多样的接触模型计算粉末颗粒-粉末颗粒、粉末颗粒-铺粉装备等间作用力CPU加速GPU加速Single GPUMulti GPUEDEM 2019.1ComputeintensivefunctionsRest ofsequential CPUcodeCPUGPUGPUGPUParallelizewith GPU绝对领先的计算求解速度绝对领先的计算求解速度特殊加速技术，针对大型储料设备、大型料床的物料生成与作业过程进行加速，大大提升仿真效率。