离散元仿真技术加速工业自动化发展，助力企业数字化转型

随着工业自动化和数字化转型的加速，离散元仿真（DEM, Discrete Element Method）技术在多个领域的应用正迎来前所未有的增长。离散单元法是由美国学者Cundall P.A.教授在1971年基于分子动力学原理首次提出的一种颗粒离散体物料分析方法，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，因此DEM仿真技术的应用越来越广。

基本原理：

离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。因此，岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为：将求解空间离散为离散元单元阵，并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来；单元间相对位移是基本变量，由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力；对单元在各个方向上与其他单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力求合力和合力矩，根据牛顿运动第二定律可以求得单元的加速度；对其进行时间积分，进而得到单元的速度和位移。从而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。

该方法是继有限元法、计算流体力学（CFD）之后，用于分析物质系统动力学问题的又一种强有力的数值计算方法。离散单元法通过建立固体颗粒体系的参数化模型，进行颗粒行为模拟和分析，为解决众多涉及颗粒、结构、流体与电磁及其耦合等综合问题提供了一个平台，已成为过程分析、设计优化和产品研发的一种强有力的工具。

目前DEM在工业领域的应用非常广泛，并已从散体力学的研究、岩土工程和地质工程等工程应用拓展至工业过程与工业产品的设计与研发的领域，在诸多工业领域取得了重要成果，特别适合处理涉及颗粒、结构、流体与电磁及其耦合等复杂问题。

以下是DEM在工业领域的一些主要应用：

过程工程：DEM在过程工程领域中被广泛应用于颗粒体系的研究，特别是在流态化研究领域。它与计算流体力学（CFD）结合形成的CFD-DEM耦合方法，已经在流化床、气力输送等过程中得到广泛应用。
材料设计与CAE：在材料设计与计算机辅助工程（CAE）领域，DEM作为一种仿真技术，对基础科研和工业研发以及生产中发挥着重要作用。它能够模拟颗粒的微观运动，从而得到颗粒流的宏观运动规律，对材料的力学行为进行分析。
工业过程模拟：DEM能够模拟颗粒流体系，如料斗、螺旋输送器、颗粒混合器和高炉布料等，以及颗粒流体系统，如循环流化床、湍动床和提升管反应器等。这些模拟对于工业过程的优化和设备设计至关重要。
工业产品的设计与研发：DEM在工业产品的设计与研发中也取得了重要成果，它能够提供一种强有力的工具，帮助工程师在产品设计阶段进行模拟和分析，从而优化产品性能。
岩土工程和地质工程：DEM最初应用于岩土力学问题，后来逐渐扩展到地质工程等领域。它能够模拟岩体的破坏过程，对于工程设计和灾害预防具有重要意义。
虚拟工厂技术：DEM软件如DEMms能够实现大规模异构并行计算，为过程工业的高水平数字孪生提供计算引擎，服务于“双碳”目标下流程再造的研发需求。

DEM的这些应用展示了它在工业领域的成熟度和重要性，它已经成为过程分析、设计优化和产品研发中不可或缺的工具。随着技术的不断进步，DEM在工业领域的应用将会更加广泛和深入。

为了进一步推动这一技术的发展，Altair将于2024年11月20日至21日举办全球离散元仿真技术（ATCx DEM）直播会议，展示DEM在工业制造业中的深度应用，探索与其他先进技术的融合，推动其应用向更高层次发展。

在此次ATCx DEM会议中，几场演讲特别关注DEM技术与多物理场仿真、人工智能（AI）、GPU加速等新兴技术的结合，预示着DEM技术将进入一个全新的发展阶段：

（1）与CFD的耦合

流化床干燥器的CFD-DEM建模和垃圾焚烧炉中的非稳态燃烧数值研究展示了DEM与计算流体力学（CFD）技术的结合应用。通过这种耦合仿真，工程师能够更准确地模拟颗粒在流体中的运动，优化工业过程中的能量利用效率和物料处理效果。比如，垃圾焚烧炉案例中，EDEM与Fluent的耦合仿真能够模拟焚烧过程中的颗粒行为、气体流动及化学反应，从而提高燃烧效率并降低环境污染。

（2）与AI技术的融合

随着人工智能的兴起，DEM技术正在与AI技术深度融合。例如，在AI赋能电解质材料仿真，提高充电电池能效的案例中，EDEM与AI结合，用于模拟电解质材料在微观尺度上的行为，从而为高性能新型电池的研发提供科学依据。这种AI与DEM结合的趋势为电池行业带来了前所未有的创新机会，推动了电池设计的智能化和精准化。

（3）GPU加速与大规模并行计算

随着计算资源的不断提升，GPU加速和大规模并行计算在DEM中的应用已经成为提升仿真效率的重要手段。Altair通过不断优化EDEM软件，支持GPU加速，极大地提高了仿真速度，尤其在处理数百万颗粒的仿真时，能够显著缩短计算时间，增强了实时仿真和大规模系统分析的能力。

离散元仿真技术作为一种强大的模拟工具，正在帮助全球各行业加速数字化转型，提高生产效率，降低运营成本。随着技术的不断进步，DEM的应用领域将越来越广泛，未来的发展趋势也将更加注重与AI、CFD等其他先进技术的深度融合，推动仿真技术的智能化和精确化。

ATCx DEM 离散元仿真技术全球会议