Rocky离散元软件

概述

离散元法（DEM）是一个相对较新的技术，用来模拟颗粒物料的流动，这些物料的类型包括沙子、矿石、谷物等。由于大多数的颗粒物料的流动难以用精确的连续性方程解决，离散元法通过模拟感兴趣的系统中的每一个固体颗粒的运动，来避免这个问题。与连续方法相比，DEM的主要优势是在粒子尺度上获得信息。例如，当预测颗粒破碎时应用到每一个颗粒上的能量都必须要计算。DEM技术在很大程度上依赖于计算机能力和高效的现代并行编程技术，近年来随着计算机技术的进步得到了很大的发展，DEM成为工程模拟中实用的工具。

Rocky是由Granular Dynamics International, LLC和Engineering Simulation and Scientific Software Company (ESSS)公司共同开发 的功能强大的DEM软件包。它是一个共享内存的并行软件，能够快速解决颗粒动力学问题。

特色功能

在商业DEM软件中，Rocky的独特之处在于：

• 考虑了真正的非球形颗粒形状

• 在不损失质量和体积的情况下模拟破碎的能力

• 能考虑磨损的边界表面形状变化的影响

• 粘性接触和干接触流变学

• 3D表面磨损修改

• 振动边界

• 与ANSYS软件集成

• 360°全景视角转换

典型应用

该软件首先在采矿工业中有大量的应用，目前也扩展到许多其它固体颗粒流动的问题中。

图1 Rocky软件中可用的颗粒形状

Rocky具有几个独特的功能。首先，Rocky是根据实际的工程问题开发而来。用户从软件中得到的信息不仅仅包括漂亮的图片和视频，还包括对工程师来说一些非常重要的参数。这些参数包括运动机构的功率、切变和冲击磨损、力、流速等。软件包含的物理模型都经过公司内部的咨询项目和世界各地用户的实际案例测试过。

Rocky软件另一个重要的特点是模拟非圆形颗粒的能力。其它DEM软件依靠球形集群，但是在Rocky软件中，你在屏幕上看到的形状就是模拟中的实际形状。这使我们能够模拟的形状更接近现实，且没有质量和体积损失的情况下正确的模拟颗粒破碎，在球形颗粒中是不能达到的。Rocky中可以模拟的颗粒形状如图1所示。图1显示的是Rocky软件的一个典型的应用，模拟了一个输送槽的性能。输送槽是采矿业中应用非常普遍的重力输送装置，主要用于输送物料的方向急剧变化的情况。   

图2显示的是Rocky在采矿业中应用的另一个例子，模拟整个破碎机。这个特殊模拟的规模超过了一百万颗颗粒和七十万边界要素，在DEM标准里这种模拟的规模是相当大的。Rocky是一种有效的共享内存并行软件，可以相当快的处理这类问题。

图2 模拟破碎机内颗粒流动，模拟规模超过100万颗粒

图3 展示了Rocky软件一个更加独特的特点，模拟边界物理磨损的能力。软件收集颗粒对边界实施的剪切功，且根据剪切功成比例的消除边界体积。此功能预测由于磨损产生的边界变化影响颗粒流动的特性是非常有用的。

图3 Rocky软件预测磨器的磨损。左侧是一个新的磨器，右侧是磨损模拟之后的同一个装置

颗粒破碎仿真是Rocky软件的另一个重要特点。Rocky中的破碎模型结合采矿业和游戏产业中的模型来预测颗粒能量、强度和破碎过程中产生的碎片。图片4展现了破碎模型的应用案例——这是一个新的概念装置（共轭砧和锤式粉碎机），由Conveyor Dynamics, Inc开发用于采矿业的颗粒处理装置。

图4 模拟研磨装置内的颗粒破碎

Rocky软件从2.2.0版本起可以与ANSYS Structural和ANSYS Fluent进行耦合计算。粒子施加到边界上的力可以输出到ANSYS Structural软件，由此计算产生的变形。图5显示的是Rocky中计算振动筛上的颗粒运动。第一个验证耦合方法的实验数据来自TUNRA实验室（纽卡斯尔大学，澳大利亚），传送槽周围的空气流动且仿真数据与实验数据吻合。负责研发Rocky的母公司属于采矿业，自然地大部分的用户也一直在这个部门。然而，在最近的几个月中，该软件在其他行业中得到普及，如农业（图6谷物流动）、制药（Rocky被用于模拟片剂包衣）、材料搬运、建筑行业（图7和图8模拟输送机和卡车装载站周围土壤流动）及其他。Rocky的应用没有行业限制，能够在任何情况下准确的预测固体颗粒的运动。

图5 Rocky软件中模拟振动筛上颗粒流动（上面）和ANSYS Structural软件中模拟筛的变形；Rocky中预测节点力输出到ANSYS

图6 Rocky软件模拟谷物流动

图7 输送机机架周围土壤流动

图8 模拟移动式输送机周围土壤流动

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