EDEM与SimSolid单向静力耦合

1 前言

在农业机械相关的研发工作中，时常会遇到如何在颗粒离散元和结构静力学之间进行耦合的问题。市场上已有一些解决方案，其中离散元软件EDEM作为目前国内市场占有率最大的软件，和它的多物理场耦合方案受到更多关注。这里我就以一个简单的出仓机为例来说明EDEM和无网格有限元软件SimSolid之间的单向静力耦合流程。所谓单向静力耦合，指先由EDEM计算离散元，离散元计算得到的颗粒对有限元模型的接触力和力矩单向传递给有限元结构，作为有限元的载荷条件，最后计算出有限元的位移、应力等。由于结构是静力学分析，因此有限元结构没有运动，不会反过来影响颗粒的位置，所以这个过程是从离散元到有限元单向进行的。

出仓机和粮仓模型如下，工作原理是在粮仓堆积一定物料后，出仓机的绞龙围绕中心进行一定速度的公转和自转，将仓内物料由下方出口清出。当然在这里为了演示缩短时间，仅计算舱内堆积了一定高度之后出仓机在静止状态下所受的物料的力。粮仓上面为敞口的。

出仓机模型

出仓机和粮仓

2 EDEM计算设置

打开EDEM后，右击Creator Tree中的Geometries，选择Import Geometry。

选择提供的parasolid格式的CAD模型，点击打开。

在几何导入参数中，保持默认即可，点击OK。

导入后发现图形界面出现了几何模型。展开Geometries，为了便于管理众多的部件，选择除了valve和container之外的所有部件，右键，并选择Merge Geometry。

出现以下对话框，提示需要将哪些部件合并入_1中，还是用Shift选择除container和valve之外的所有部件，点击OK。

合并后产生的这个部件命名为auger。

接下来需要设置颗粒材料。右键点击Bulk Material，选择Add Bulk Material。

在Bulk Material下方展开会出现BulkMaterial1。此时需要设置这种颗粒材料的基础属性和接触属性。在基础属性里，我们填入泊松比0.3，颗粒固体密度1195kg/m³，剪切模量6.981e+06Pa（需要注意的是密度必须是固体密度，而非堆积密度）。接触属性中，我们首先点击右侧的“+”按钮，添加这种颗粒自身之间的接触参数，包括恢复系数0.4，静摩擦系数0.81，滚动摩擦系数0.01。

右击BulkMaterial1并选择Add Shape from Library，并进一步选择Single Sphere，从形状库中为材料为BulkMaterial1的颗粒中定义一个形状，这个形状为单个圆球。

随后在BulkMaterial1的下方会出现New Particle1，点击它，然后在图形界面下方的尺寸定义框中定义物理直径为0.005m。

接着在Creator Tree中点击Size Distribution，定义颗粒的尺寸分布。这里我们假设是均一尺寸，选择fixed。为了演示尽可能加快计算，按粒径将颗粒扩大为原来的16倍。放尺效应对于复杂和巨量颗粒的计算是必要的，但是肯定会与按实际颗粒尺寸计算之间产生误差。如何量化这个误差一直是离散元中值得探讨和难以解决的问题。很多文献是通过物理或者虚拟的对标实验来进行放尺效应研究的。

在Creator Tree中点击Properties，勾选Auto Calculation，软件自动根据定义的颗粒尺寸和材料计算颗粒属性。

除了颗粒材料，设备的材料也是需要定义的。右击Equipment Material，选择Add Equipment Material。

Equipment Material的下方会出现EquipMaterial1，我们定义其泊松比为0.29，密度为7850kg/m³，剪切模量为8.14e+08Pa。在接触属性中，点击“+”按钮并选择颗粒材料BuilMaterial1，定义设备与物料颗粒之间的恢复系数为0.56，静摩擦系数为0.35，滚动摩擦系数为0.02。

上方可调整显示模式为Mesh（网格）、Fill（填充）等和改变透明度。

在Geometery，要确认valve和container的类型均为Physical，材料均为EquipMaterial1。

现在还缺一个所谓的“颗粒工厂”，帮我们以一定的速率产生颗粒。这个颗粒工厂一般定义在某个几何里。我们打算在筒仓的正上方产生颗粒，让颗粒落在仓中并堆积。右键点击Geometries，选择Add Geometry，这次需要产生一个平面四边形的颗粒工厂，所以最后选择Polygon。

新生成的几何重命名为factory。

点击Transform，定义这个平面四边形的中心在全局坐标系的绝对位置，z坐标设为26m。

点击Polygon，定义边数为4，边长为3m。

对应位置会出现刚才定义的正方形，我们将基于这个正方形定义颗粒工厂。

右键点击factory，选择Add Factory，展开factory，下方会出现New Factory1。

在New Factory1中，定义类型为无数颗粒。颗粒产生速率为目标质量流量2000kg/s，开始时间为0s，材料选择BulkMaterial1。点击Velocity右边的齿轮图标。

设置颗粒初速度为z-方向的2m/s。至此所有输入性的参数设置完毕。

点击快捷工具栏中第二个按钮Simulator，转入步长和数据存储设置。

Auto Time Step去掉勾选，设置固定时间步长为30%的瑞利时间步（通常合适的区间为20%~40%，最佳取值以能尽量快速计算但又不会造成颗粒重叠为准）。设置仿真总时长1000s。为压缩和尽量减少生成的结果数据量，设置每5s保存一次数据，勾选压缩数据和选择性保存，每2步保存一次全数据。根据自己硬件状况选择GPU或CPU计算引擎，EDEM可以通过1GPU+多CPU的方式加速计算。点击Solve Report上方的三角形按钮开始计算。

计算完成后可转到Analyst Tree上进行后处理。

点击File>Export>SimSolid Data，在Export Data for Simsolid对话框中，将输出结果的开始步和终止步均设为第1000s时刻，并选择Time step per file，意为只需要最后一步的离散元结果。几何选择auger，勾选contact force，并为即将输出的csv文件命名，勾选朝向和位置与CAD系统相同项。最后点击Export按钮。在和EDEM项目相同的文件夹里，会看到两个csv文件生成。我们后续的Simsolid操作中会导入其中名字带0001的文件，它包含了颗粒对相应几何的接触力的坐标点集和对应的力的各个分量的表格信息。

3 SimSolid设置

打开SimSolid后，点击快捷工具栏中的第二个按钮导入几何。我们本文中仅计算绞龙的位移和应力，选择twisted_dragon.x_b，打开。

展开Project Tree中的Assembly，利用Shift键选中全部几何，或者在图形界面中框选，点击第一个按钮，赋予全部部件steel1材料。

点击Project Tree中的Connections，点击右侧第一个按钮，将为绞龙各部件间自动创建连接，间隔和干涉分别设置为3mm，软件将在这样的容差下创建连接关系，默认所有的连接为绑定连接。点击OK确定。

可以右键点击Connections，选择Show All，在图形界面中显示所有的连接关系。以红色高亮显示的区域为绑定。

点击快捷工具栏中的Linear Structure Analysis按钮，选择Structure linear，建立一个线性静态求解方案。

此时Project Tree中出现Structural 1，点击Structural 1。

点击右侧第一个按钮，给下图所示面上创建固定支撑约束。

点击右侧Gravity Load按钮，添加重力场，方向为z-方向，放大系数为0.00981（因为看Simsolid官方培训PPT上说这里应该设置1g物体所受的重力，感觉这种设定很奇怪）。

点击Force Displacement按钮，选择Import forces。在新出现的对话框中，点击Import from .csv按钮，选择我们从EDEM中导出的screw3.csv文件，文件中的点坐标和相应的力的分量数据会呈现出来，但有些行以红色显示，这是因为我们在EDEM中定义为auger的几何包含了绞龙及其支座，但现在我们只是在SimSolid中导入了绞龙进行计算，所以红色的数据是在绞龙几何之外的无效数据。在这里需要用Delete rows删去这些无效数据。操作完毕后，点击OK确定。

点击Solve按钮开始计算。

计算完成后，通过后处理查看位移与应力。

CAD模型下载链接：

https://pan.baidu.com/s/1v88FpFTg3cskZv6kn0ZCNQ?pwd=180t 

提取码：180t