基于EDEM的散料机械解决方案——颗粒-结构一体化

1 引言

改革开放三十年来，我国经济发展取得了举世瞩目的伟大成就，而工程机械在国民经济基础设施建设中起着重要的支撑和保障作用。但是，与国际先进水平相比，我国工程机械的整体水平尚有差距，部分产品在国际主流市场上处于二、三流产品的地位；我国工程机械企业与大型工程机械跨国企业集团相比，竞争力还比较弱。如何提升产品核心竞争力，提高产品质量，降低成本，抢占市场成为我国装备制造业企业面临的一个严峻挑战。

面对如此严峻的挑战，增强技术储备，建立技术壁垒对于企业来说变得尤为重要。因此，高效的计算机辅助分析（CAE）手段越来越得到企业的重视。如何更好的利用CAE来提高产品竞争力变成了工程机械领域重要的话题。

2 散料机械领域仿真需求

工程机械产品结构庞大、工作环境复杂，尤其散料机械，其工作对象多为土壤、岩石、矿石和混凝土等散体物料，受力情况复杂。因此散料机械产品的仿真分析需求体现在多个方面：结构强度分析、结构动特性分析、散料运动特性分析。

    

然而上述分析需求之间并非独立。而各方面的研究工作因机械工作状态的联动性又不可分割。以分析挖掘机工作状态下铲斗的结构刚度为例，铲斗的刚度分析首先需要提供工作过程中铲斗的载荷，而铲斗的工作载荷主要来自于土壤、矿料等一类的散状物料，这就需要结合分析散料的运动特性来得到。同样，挖掘机工作中铲斗的运动特性分析也需要考虑散料与铲斗之间的相互作用。

目前没用统一的仿真手段可以同时解决上述各类分析需求，那么一个有效结合各类仿真手段实现上述分析功能的平台便成为了散料机械领域的仿真目标。

3 颗粒-结构一体化解决方案简介

针对工程机械多样化的分析需求之间彼此依赖的特性，EDEM通过与其他数值方法之间的耦合，提供了颗粒-结构一体化的解决方案。

3.1 颗粒-结构载荷一体化分析平台——Add-in

Add-in是EDEM实现通用结构有限元分析软件ANSYS Workbench联合仿真的耦合模块。Add-in作为颗粒-结构载荷一体化仿真平台，用于实现将颗粒作用在设备上的压强和力的数据直接传输到ANSYS Workbench中，传输过程保证了精确的位置和材料参数的对应关系。借助Add-in，设计人员可以方便的获取到机械设备工作过程中的散料载荷，并直接传输到有限元软件中对结构的刚度进行分析，进而对设备进行设计、测试和优化工作。

Add-in目前为单向耦合接口，首先在EDEM中对散料的运动特性进行求解，之后输出可供ANSYS Workbench识别的设备受力情况，如图所示。

EDEM中输出ANSYS Workbench数据

通过Add-in在ANSYS Workbench中嵌入了耦合接口，在Workbench中读入设备载荷的同时，建立与结构分析模型的联系，如图所示。进而展开结构分析，包括设备的应力、应变及形变等情况。

通过Add-in架起EDEM与结构分析之间的桥梁

3.2 颗粒-结构动力学一体化分析平台——EALink

EALink是EDEM实现与通用多体动力学仿真软件ADAMS耦合仿真的耦合模块。作为颗粒-结构动力学一体化仿真平台，EALink用于实现颗粒与结构相互作用过程中力和位移的数据交互传递，能够作为散料机械设计研发过程中的重要仿真分析手段，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化工作。

EALink耦合设置界面

如上图所示，此为EALink耦合设置界面，用于实现ADAMS与EDEM的耦合。EALink支持的耦合方式分为单向耦合和双向耦合两种，在单向耦合中，每一个时间步内，ADAMS将指定部件三个方向的平动值和转动值（具体指X,Y,Z方向的线位移与线速度、X,Y,Z方向的角位移与角速度）传递给EDEM中对应的几何体，EDEM中几何体依据得到的位移与速度数据运动；在双向耦合中，每一个时间步内，ADAMS将指定部件三个方向的平动值和转动值传递给EDEM中对应的几何体，几何体的位置变动导致颗粒受力的位置大小方向不同；接着，EDEM计算出此时颗粒对几何体的作用力与作用力矩，并将作用力与力矩数据传递回ADAMS中，那么在下一个时间步起始，ADAMS将根据新的载荷信息和自身驱动联合计算出部件新的位移、速度信息，循环交互传递数据，完成双向耦合计算，双向耦合计算流程如下图所示。

   

图4 EALink双向耦合过程

4 颗粒-结构一体化解决方案应用案例

4.1 输运设备

输送机是常用的一类大型机械设备，包括带式输送、螺旋输送以及链式输送等。在输运设备的设计中，被关注的分析需求主要包括两个方面：物料的输运特性以及输运设备的载荷能力。

在EDEM中，导入几何模型设定好材料参数和输送机的操作条件，便仿真可得到整个输送机的工作过程，并分析物料的输送情况，还能方便的研究改变结构和操作条件对料线的影响。下图中展示了带式输送机与螺旋输送机在EDEM 中的模拟结果。

     

EDEM中带式输送机和螺旋输送机模拟

与此同时，在EDEM模拟的结果基础上输出设备受到物料冲击的受力情况，通过Add-in嵌入ANSYS Workbench，与结构有限元仿真链接，分析输送机结构在输送物料过程中的应力分布情况，为输送机结构刚度的优化提供依据。

    

带式输送机和螺旋输送机应力分布

4.2 挖掘机

挖掘机为较为常见的重型机械设备，通过颗粒-结构一体化解决方案可以对挖掘机的挖掘效率、铲斗和挖掘臂刚度、挖掘过程的动力学响应进行一体化分析。

在EDEM和ADAMS中导入挖掘机模型，EDEM中设定好物料特性，ADAMS中设定好挖掘臂的动力特性。通过EALink建立EDEM与ADAMS的双向耦合，将挖掘臂的操作条件实时传递至EDEM，并将EDEM中得到的铲斗受到的物料的阻力与重力反馈至ADAMS中，实时更新挖掘臂的动力性能。最后完成整个挖掘机挖掘过程的动态仿真。

    

挖掘机挖掘过程动态仿真

同时可在EDEM中分析物料被挖掘情况以及铲斗的受力情况。并通过Add-in在ANSYS Workbench中载入铲斗载荷，对挖掘机的铲斗及挖掘臂进行应力分析，应力分布图如下图所示。

       

挖掘机铲斗装料及受力情况

    

挖掘机铲斗及挖掘臂应力分布

4.3 齿轮传动颗粒阻尼

颗粒阻尼减振是一项较新的减振技术，主要应用于重型机械、航天器以及建筑设施中。齿轮传动是机械中最常用的传动形式之一，应用广泛，但其振动噪声问题一直影响着生产应用，理论上完全共轭、无制造安装误差的齿轮，也会由于轮齿啮合对数的变化，引起轮齿啮合刚度周期性变化，产生参激振动而向外辐射噪声。当有制造误差、安装误差时，这种振动会更加剧烈。

通过颗粒-结构动力学一体化仿真研究颗粒阻尼减振在齿轮传动中的应用效果。分别在ADAMS中和EDEM中分别建立齿轮模型（含颗粒阻尼器和不含颗粒阻尼器）。

ANAMS中齿轮模型

EDEM中齿轮模型

通过EALink接口双向耦合，完成齿轮传动与颗粒相互作用仿真过程。下图为不含颗粒阻尼器的齿轮传动过程中振动加速度振幅，大概0.4mm/s2；

  

无颗粒阻尼器：仿真结果与试验结果

加入颗粒阻尼器后，如下图所示，加速度振幅降为0.2-0.3 mm/s2，减振效果明显。

   

有颗粒阻尼器：仿真结果与试验结果

附录1：EDEM软件介绍

EDEM是世界上领先的个基于先进的离散元方法（DEM）的通用仿真分析软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化，同时为颗粒、流体和机械力学的结合提供了一个平台。

EDEM在结构上可划分为3个主要模块：前处理器Creator、求解器Simulator和后处理Analyst。通过EDEM的Creater（前处理模块）可以快速、简便的为散货颗粒进行参数化建模，并为颗粒添加力学特性及相关材料属性。建立或导入机械设备的几何结构（与通用CAD软件兼容），并设置设备的运动特性。Simulator（求解器）基于先进的离散元方法，结合了经典的碰撞模型，在拉格朗日框架下，离散求解系统的运动学方程、动力学方程和本构方程。从而获得每个颗粒及壁面单元体的速度、受力等参数。Analyst是EDEM的后处理模块，含有很多工具对计算结果进行加工处理，方便的获得颗粒的速度、能量分布，设备的受力情况等，并可利用统计方法对各物理量间的相关性进行分析。便于工程师对散货设备性能、散货流动性、分布规律等进行分析，为改进设计提供可靠的依据。

EDEM结构框架

EDEM除本身可以用于颗粒系统仿真外，还可以与其他CAE软件协同仿真。如与通用CFD软件Fluent耦合模拟涉及固体颗粒的多相流问题；通过专门接口插件EDEM Add-In与有限元分析软件ANSYS Workbench耦合计算颗粒系统与设备之间的相互作用力；通过接口软件EALink与多体动力学软件MSC ADAMS耦合仿真颗粒与结构动力学等问题，实现力与位移等数据的传递。