1. 国产专业非球形离散元软件DEMSlab介绍

DEMSLab软件是DEMSLab公司基于离散单元法（DEM）开发的针对颗粒系统进行模拟的国产专业非球形离散元商用软件。DEMSLab以世界领先的非球形离散单元技术为核心，致力于工业级的大规模颗粒体系的模拟。通过精确模拟设备内的复杂颗粒运动、传热、及颗粒-流体、颗粒-设备间的复杂作用，DEMSLab可帮助企业降低设备的能耗及损耗，提高设备的运行效率。

       2. DEMSlab软件技术指标

       2.1. 领先的非球形颗粒模型（球类、超椭球类、多面体类）

DEMSLab软件拥有领先的非球形颗粒模型构建功能，同时采用了三大类颗粒形状模型，可以精确地描述任意真实颗粒形状。

1) 第一类是球类颗粒形状模型（Sphere-based model），包括球形模型（Sphere model）、组合球模型（Multi-sphere model）、粘结球模型（Bonded-sphere model）、以及微滴模型（Droplet model）；

2) 第二类是超椭球类颗粒形状模型（Super-ellipsoid-based model），包括超椭球模型（Super-ellipsoid model）和组合超椭球模型（Multi-super-ellipsoid model）；

3) 第三类是多面体类模型（Polyhedron-based model），包括凸多面体模型（Convex polyhedron model）和凹多面体模型（Concave polyhedron model）。

用户可以根据需要选用上述颗粒形状模型，对所需解决的问题进行快速、准确的数值仿真。需要说明的是上述三类颗粒模型可以在同一个项目中同时使用，因此用户可以根据需要选择不同的颗粒形状模型，并应用在同一个工程问题中。

图 2-1 DEMSLab软件支持的颗粒模型

图 2-2 DEMSLab软件操作界面

       2.2. 支持复杂运动以及周期性边界

DEMSLab软件支持复杂结构及运动（振动、旋转、移动等）边界条件、周期性（包含Lees-Edwards）边界条件等，也可以用户自定义，实现设备的复杂运动。

       2.3. 丰富的颗粒接触力模型（包括颗粒换热模型、颗粒磨损模型）

DEMSlab具有丰富的接触力模型，包括基本线性接触模型、通用线性接触模型、Hertz-Mindlin非线性接触模型、线性弹塑性接触模型，且软件还内置了键合球模型以及基于多面体颗粒的。键合球模型在颗粒之间施加了键合力，可用于分析颗粒之间的破碎。弹塑性模型除此之外，颗粒还提供了颗粒-颗粒，颗粒-设备、颗粒-流体之间的传热模型以及颗粒接触摩擦生热模型，可用于计算颗粒-颗粒、颗粒-设备、颗粒-流体之间的热量传递。   

DEMSLab提供了多种粘结力模型，包括范德华力（分子间作用力）、毛细力（液桥力），并在此基础上，提供了表面能模型，表明能模型可视为分子间作用力与液桥力的合力模型。粘结力模型可实现颗粒的粘附作用、如湿颗粒的粘附。

此外，软件还内置了颗粒接触磨损模型—冲击能量侵蚀模型（(IEEM)），不仅可以考虑设备壁面的磨损，还可以考虑颗粒本身的磨损，大大提高了软件的工程使用价值。

       2.4. 先进的后处理器（云图显示，数据分析）

后处理器采用Open GL编程技术设计，可快速高效地实时显示颗粒体系的运动过程，同时可对任意时刻的微观受力情况进行分析。

软件可提取颗粒几乎所有的数据，包括颗粒的运行轨迹、颗粒的运行速度、颗粒的停留时间、颗粒的温度、颗粒的磨损、颗粒的接触力链、颗粒的破碎。且软件可生成曲线、柱状图、饼状图、百分比图等后处理图形，并可直接输出颗粒的各项参数。

如基于DEM-CFD耦合，还可在流体软件中获取流体速度、流体温度、以及颗粒相对于流体的体积分数，可用于分析气粒混合均匀性。

如基于DEM-MBD耦合，还可获得机械设备与颗粒之间的相互作用力，用于分析设备运动的动力学过程。

基于颗粒-设备之间的磨损模型，在后处理中还可分析设备的磨损，对于研究设备磨损的过程具有很好的理论指导作用。

图 2-3 设备磨损后处理显示

       2.5. 支持用户自定义开发

DEMSLab软件提供总数超过200个的API函数用于用户开发自定义函数（User C Functions）。通过User C Functions，用户可以自定义更为复杂的边界运动、接触力模型、颗粒参数、破碎模型、曳力模型，以及颗粒-流体之间的传热传质模型，可以实现颗粒-颗粒、颗粒-流体之间的物理化学动力学过程。

       2.6. 支持通用CAD软件建模

DEMSLab软件支持通用CAD软件（例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等）建模或者ANSYS Fluent的网格msh文件（可以由ANSYS Fluent的前处理器生成，比如ANSYS ICEM CFD或Gambit软件）。DEMSLab软件中设备几何文件（mesh文件）可以通过通用CAD软件输出的stl文件或ANSYS Fluent的网格文件（msh文件）进行转换并导入，并进行几何体单位的转化。

且软件具备对颗粒生成器的点线面体等多维度的CAD设计功能，可在任意位置生成颗粒，并赋予颗粒初始化速度、温度等属性。

       2.7. 支持与其它CAE、CFD软件耦合求解

通过User C Functions，DEMSLab软件可以与通用CFD软件（比如ANSYS Fluent）、FEM软件（比如ANSYS Structure、ABAQUS）及MBD软件（比如Adams）进行单向或双向耦合求解。目前已经具备DEMSLab-Fluent的单向及双向耦合接口、DEMSLab-Adams/Recurdyn的单向及双向接口、DEMSLab-FEM的单向接口。

基于DEMSLab-Fluent的单向及双向耦合接口，可实现颗粒与流体之间的动量交换、能量交换，并基于自定义函数框架，可实现颗粒与流体之间的质量交换。可对任意时刻的微观受力情况进行分析，可提取颗粒几乎所有的数据，包括颗粒的运行轨迹、颗粒的运行速度、颗粒的停留时间、颗粒的温度、颗粒的磨损、颗粒的接触力链、颗粒的破碎。基于DEM-CFD耦合，还可在流体软件中获取流体速度、流体温度、以及颗粒相对于流体的体积分数，可用于分析气粒混合均匀性。

图 2-4 DEM-CFD耦合（双向）

此外DEMSLab还支持气-液-固三者的耦合仿真，如下图所示：

图 2-5 气-液-固耦合（DEM-CFD双向）

图 2-6 DEM-FEA耦合（单向）

基于DEM-MBD的单向及双向耦合接口，可以实现颗粒-设备之间复杂的动力学计算以及柔性设备的变形计算。

A)      刚性体

B)刚柔耦合

图 2-7 DEM-MBD耦合（双向）

图 2-8 DEMSLab后处理显示（DEM-MBD耦合仿真）

       2.8. DEM-CFD耦合求解（包括换热）

软件内置了与通用CFD软件（如ANSYS Fluent）的接口，包括动量耦合模块、热量耦合模块，并内置了丰富的颗粒-流体曳力模型、升力模型、虚拟质量力模型、对流换热模型等，可以实现流体-颗粒之间的动量交换以及热量交换，数据传输的过程基于动态链接库来实现。

       2.9. 自适应求解器

软件提供了固定时间步长求解器与自适应步长求解器，自适应步长求解器可以根据计算的结果实时调整时间步长。

且颗粒生成器具有静态生成与动态生成两类，静态颗粒生成，在某个时刻生成一定数量的颗粒。动态颗粒生成，颗粒在一段时间内生成颗粒，颗粒在每一个时间步内生成的数量，由软件自我调控，客户只需要输入颗粒的生成速率即可。

       2.10. 并行化求解

DEMSLab软件采用OpenMP技术进行程序设计，可在拥有多核处理器的共享内存服务器或个人电脑上高效运行。DEMSLab软件可在一台具备32 GB内存的计算机上对10,000,000颗粒规模的球形及非球形颗粒体系进行动态模拟，其计算速度取决于计算机上处理器的总核数及时钟频率。

       2.11. 软件运行环境

DEMSLab软件支持在Win10版本操作系统中运行，支持64位操作系统。

       2.12. 完善的帮助文档及大量的案例教程

DEMSLab软件提供数千页的帮助文档及数十个实际的案例教程，用户可通过帮助文档和教程快速掌握DEMSLab软件的使用，包括基础操作、各种颗粒模型的构建、边界条件的设置、传热、设备磨损、CFD-DEM耦合等案例。

       3. DEMSLab软件应用范围

       3.1. 工程机械应用

       3.1.1. 挖掘机挖掘过程分析

挖掘机是工程建设与生产中最常见的土方机械，其作业对象多为土壤、砂石等散体物料，属于典型的散体系统与多体系统的耦合系统，如图所示。前期，虽然国产挖掘机企业逐渐加大研发力度进行产品的性能提升研发工作，但受限于传统CAE方法的桎梏，相较于卡特彼勒、小松等国际知名品牌在产品可靠性、作业效率方面仍然存在一定的差距。目前，国内部分知名的挖掘机制造企业已在利用基于离散元方法工程机械一体化研究思路针对挖掘装置及整机系统展开了全面研究。

图 3-1 挖掘机作业过程

图 3-2 不同形状的颗粒建模

图 3-3 挖掘机DEMSLab-MBD联合仿真模型

       3.2. 农业机械应用

       3.2.1. 滚轮播种机播种效率分析

随着我国生态建设与土地改革的不断推进，对播种机的需求日益增加，如何提高播种机作业效率，成为国内研究的热点。而虚拟仿真凭借其无风险、成本低、数据全、可重复性高等特点，逐渐成为了研究者手中的研究利器，并在农业机械领域广泛应用。

如下所示，按照实际尺寸，一比一建立滚轮式播种机几何模型，并借助DEMSLab的超椭球颗粒模型，构建超椭球形状的种子，在DEMSLab中，仿真分析滚轮播种机的播种过程，为研究人员的设计优化提供理论指导。

图 3-4 滚轮播种机播种过程

       3.2.2. 旋耕机耕作过程分析

由于近三十年来，世界上人口数量激增，据统计截止到2016年6月，世界上仍有八亿人口挣扎在饥饿线上，使得土地和水等用于种植农作物的资源越发紧张，因此减少耕种所使用的资源，增加农作物的耕作效率显得尤为重要。随着国家农业机械化进程的加速，越来越多的旋耕机运用到了农耕作业中，大幅提高了农业作业的效率，有效的保证了农耕、播种等农耕活动的进行。但随着燃油等化石燃料的价格不断飙升，有效的节约能源，降低耕种成本成为人们越来越关心的问题。旋耕刀具作为旋耕机的主要耕作部件，其与土壤的接触模型，耕作过程中耕刀的动力学状况、耕刀的结构强度等问题是研究耕刀工作机理的主要研究方向，采用DEM模型模拟土壤和机械的高速作用是当先较为有效的研究方法。

如下所示，建立旋耕机三维几何模型，并借助DEMSLab软件，建立土壤离散元模型。在DEMSLab中，仿真分析研究旋耕机耕作过程，以此优化旋耕机的设计，降低能耗，减少刀片磨损损耗。

图 3-5 旋耕机耕作DEMSLab仿真

       3.3. 矿物机械应用

       3.3.1. 半自动球磨机设备磨损分析

本案例采用DEMSLab软件和内置的侵蚀模型来预测SAG磨机内部磨损。根据相应的实验数据定量验证了标准情况下（转速为10.5 rpm；提升杆面的角度为14°；提升杆高度为152 mm）的仿真结果。通过对比仿真结果与实验基本吻合，表明该方法的准确性可以很好地预测SAG轧机内的磨损。然后分别研究了旋转速度、提升条的形状等因素对磨损的影响，发现旋转速度对SAG磨机内衬板的磨损有重大影响，同时提升条的形状也会对SAG磨机内衬的磨损产生影响，另外转速会影响趾部区域内矿石颗粒的尺寸分布，这对磨损分布也有重要影响。

图 3-6 (a)颗粒分布和(b)颗粒速度分布

图 3-7 模拟与实验的磨损分布对比

图 3-8 不同转速下SAG磨机内颗粒运动状态

图 3-9 不同磨机转速下衬板的磨损速率分布

图 3-10 不同提升条形状下SAG磨机内颗粒运动状态

       3.4. 颗粒流化过程应用

       3.4.1. 流化床中的管道磨损

本案例采用基于Fluent和DEMSLab软件的CFD-DEM耦合方法和磨损模型对流化床管内的磨损进行了预测。然后，根据模拟结果得到了床层管内磨损的详细特征。与实验对比证明，该DEM模型和侵蚀模型可以有效地预测流化床管内的磨损。该方法不仅可以很好地预测磨损率的分布，而且可以很好地预测磨损率的绝对值。

图 3-11 流化床气体和固体颗粒采用不同摩擦系数的模拟:流体相的CFD结果(每组图的左侧)和颗粒的DEM结果(每组图的右侧) (a)f = 0.1，(b) f = 0.3， (c) f = 0.5

通过模拟发现在床层的不同位置，管的磨损分布是不同的，而且位于床层不同位置的管的磨损率值也不同，另外颗粒的摩擦系数对管道的磨损也存在一定的影响。

图 3-12 管道周围的典型流动模式:

(a)被向上流动颗粒包围的管道;(b)被气体包围的管道;

(c)被向下流动颗粒包围的管道;(d)被准静态颗粒包围的管道。

图 3-13 流化床中时间平均局部固体分数和累积局部(剪切和法向)冲击能:

(a)管30°，(b)管28°

       3.4.2. 弯管气力输送及磨损数值预测

本案例基于CFD-DEM耦合方法研究了在不同工作条件下的弯管气力输送及磨损。通过CFD（计算流体动力学）预测流体运动，并在模拟中使用DEM（离散元方法）计算颗粒运动。CFD-DEM中采用单向耦合方法和双向耦合方法来计算气固相互作用。根据相应的实验数据验证了在稀薄的气体颗粒流动条件下弯管磨损的预测结果。由于DEM和SIEM可以轻松应用于稠密的气体颗粒流，因此还研究了颗粒浓度对侵蚀的影响。结果表明，当颗粒浓度较低时，耦合方法对侵蚀预测影响很小，而弯头中的侵蚀对颗粒浓度非常敏感。最后，还通过模拟研究了摩擦系数，恢复系数和弹簧刚度系数对肘部腐蚀的影响，但其影响不如浓度大。

图 2-14 Y-Z平面上的速度场和压力场:(a)速度(m/s)和(b)压力(Pa)

图 3-15 通过对单向耦合和双向耦合方法预测弯头的侵蚀磨损

图 3-16 单向耦合法和双向耦合法的颗粒运动或位置比较

图 3-17 不同摩擦系数下弯头的侵蚀剖面

       3.5. 过程工程应用

       3.5.1. 振动分选设备模拟优化

包覆燃料颗粒的畸形特征是导致燃料元件制造失败的主要原因，因此燃料颗粒的球形分离是提高高温气冷堆（HTGR）安全特性的重要手段。倾斜振动筛（IVP）则是用来分离不同球形度颗粒的，它是基于不同颗粒所受的摩擦力不同而进行分离的。利用DEMSlab对IVP的分离效果进行预测，基于DEMSlab的超椭球功能，考虑实际燃料的不规则形状。建立振动筛的离散分析模型，研究了颗粒碰撞对喂料速度的影响和最终的分离效率，以及振幅、频率、倾角等参数对于分离效率的影响，通过分析优化调整后，不合格颗粒在合格产品中的掺混比例小于1%，满足了生产要求。对于再分选槽中的颗粒，则需要考虑反复筛选，提高材料的利用率。为改进分选工艺，可考虑多级振动分离，同时改进进料槽和接收槽等的设计，来进一步提高分离设备的效率。

图 3-18 (a)真实燃料颗粒样品图，(b)QICPIC颗粒分析仪识别获得的颗粒尺寸和颗粒球形度分布，(c)DEMSlab中用超椭球颗粒建立的离散元模型

图 3-19 振动筛的结构示意图与DEMSLab的仿真分析模型

图 3-20 a．绿色，蓝色和红色实线分别代表良性颗粒、畸形颗粒和异常颗粒的平均偏离角 b．分布范围角和重叠分布角

图 3-21 接收槽参数优化结果

       3.5.2. 双螺旋锥形混合器混合过程模拟

双螺旋锥形混合器是一种新型颗粒混合器，由于其具有较高的颗粒混合效率和较低的能耗，其应用领域日益扩大，被广泛应用于各种各样的过程工程。利用DEMSLab离散元仿真方法可以模拟混合器的实际运行过程及其中的颗粒物料的运动行为，以帮助工程师对这类装备进行优化设计及帮助设备操作人员改进工艺流程及操作参数，提高设备的运行效率。研究不同自转公转速度对设备混合效率的影响，通过DEMSLab自带的功率监测功能分析了设备功率，同时做了混合器的磨损分析。

图 3-22 设备模型及模拟过程主视图（颗粒粒径比分别为1, 2和3）

图 3-23 螺旋采取不同自转公转速度下的Lacey混合指数随时间变化对比图

图 3-24 混合器功率随自转公转速度的变化

图 3-25 双螺旋桨表面磨损分布云图

       3.6. 冶金工程应用

       3.6.1. 基于DEMSLab布料过程模拟

布料机工作，主要包括主传动与副传动，二者既可独立运动，也可合成运动。物料进入受料斗，料斗旋转一定角度，然后料斗下部的电动料钟下行，将料加入窑内。本案例基于DEMSLab软件通过UCF函数对布料溜槽运动状态和不同时间的位置的调整，使得颗粒物料在料仓底部均匀铺开，且厚度均匀。当然，DEMSlab允许用户进行UCF函数自定义，可针对不同的布料要求进行编写，以满足不同的布料要求。

图 3-26 布料器建模设置

UCF(user C function)函数是通过定义不同时间段，溜槽部件绕中心轴的转动速度和与地面的倾角，对溜槽所在的位置进行定义。运动的溜槽不断对颗粒下落的方向进行调整，最终达到均匀布料的要求。

图 3-27 布料结果与后处理展示