摘 要

在传统的工程领域中，有许多生产制造过程都有颗粒的参与，研究颗粒的运动状态与受力情况，有着十分重要的现实价值。然而由于受到各种实际实验条件的限制，计算机模拟仿真技术得到了重视及发展。离散元素法是一种新兴的分析计算方法，从1971年被提出，到目前为止得到了迅速的发展，产生了许多相关的离散元素法软件。其中，EDEM是一款最先进的离散元素法软件，所以本课题将选用EDEM来进行颗粒模拟及分析。

传统的离散元素法仿真分析多采用球体颗粒来代替实际颗粒，而在实际工程领域中，颗粒的形状多种多样，用球体颗粒的仿真模拟与实际结果偏差较大。在离散元素法的发展历程中，诞生了一种方法叫粘结颗粒法，该方法利用球形小颗粒粘结在一起形成一个颗粒簇，通过改变小颗粒的坐标，可以形成形状复杂的颗粒簇作为一个新的颗粒。通过这种方法可以根据实际需要模拟出多种颗粒形状，能更好的仿真真实颗粒的运动情况，减小误差。

本课题在详细介绍离散元素法基本原理、模型发展、EDEM使用的基础上，明确仿真逻辑，完成仿真过程，采用粘结颗粒法构建多种颗粒模型，验证粘结颗粒法的可行性、有效性。进而对混凝土试块的抗压实验进行简单地模拟，为BPM仿真模拟指导混凝土生产提供可行性依据。

关键词：离散元素法；EDEM；粘结颗粒法；仿真过程

Abstract

In traditional field of engineering, the particle material participates in many manufacturing processes. The study for movement states and stress conditions of particles has great significant practical values. However, with the limitation of various actual experimental conditions, computer simulation technology gains more attention and development. The Discrete Element Method（DEM） is an emerging analysis calculation method. So far the method has been rapidly developed since it is proposed in 1971, and many DEM software have arisen. EDEM is the most advanced of DEM software. So the subject will simulate and analyze particles by EDEM.

Traditional DEM simulation and analysis usually use sphere particles instead of actual particles. But in practical engineering filed, the shape of particles is various. This phenomenon lead to the large deviation in the simulation result between actual particles and sphere particles. In the development history of discrete element method, scientists created a special method named Bonded Particle Method（BPM）. This method can bond numerous small spherical particles together, and form a particle cluster in the end. We can create intricately shaped particle clusters as an new big particles by change the coordinates of small spherical particles. According to the actual requirement, we can simulate kinds of shaped particles in this way, and simulate the movement of actual particles more accurately.

The subject details DEM’s fundamental theory and development history and the usage of EDEM. On this basis, the subject clarifies logic and complete simulation. The effectiveness and practicability of BPM is verified by building multiple particle models. Simulating the fracture process of concrete sample, and then it provides the feasibility basis for that BPM simulation directs production of concrete.

Keyword: Discrete element method; EDEM; Bonded particle method; Simulation procedure

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究状况 2

1.2.1 离散元素法发展演变 2

1.2.2 颗粒形状模型的研究进展 3

1.2.3 粘结颗粒法的研究现状 3

1.2.4 EDEM软件介绍 4

1.3 本课题研究目的及主要工作 5

第2章 粘结颗粒法相关理论基础 6

2.1 离散元素法基本算法 6

2.2 基于EDEM实现粘结颗粒法 7

2.2.1 接触模型 7

2.2.2 硬球模型和软球模型 9

2.2.3 相关参数的选取 10

第3章 Bond颗粒仿真设计 12

3.1 Bond颗粒仿真流程 12

3.2 编译API文件 12

3.3 构建Bond颗粒并获取颗粒集合体坐标 18

3.3.1 构建一般颗粒的方法 18

3.3.2 利用等径球颗粒构建球形/不规则颗粒 18

3.3.3 利用不等径球颗粒体构建立方体颗粒 20

3.4 多种颗粒仿真 21

3.4.1 仿真球形颗粒 21

3.4.2 仿真不规则颗粒 23

3.4.3 仿真立方体颗粒 24

3.5 混凝土抗压实验仿真 25

3.6 结果分析 27

第4章 结论和展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪 论

1.1 研究背景

在自然界和工程界中的颗粒材料通常分为粉体和散体。从物理学特征来说，认为粉体和散体是相对于气液固的另外的物质形态；从力学特征来说，认为颗粒分为“散”和“动”，“动”指的是颗粒凝聚及破碎、运动的碰撞、波动，“散”指的是形状的分散性和颗粒粒度、物性。过去的研究用宏观的连续体力学来分析散体过程，但是由于该理论的均匀连续假设不符合散、动的特点，结果往往不准确，与实际偏离较大。在现代力学、数值方法、计算机技术的飞速发展下，产生了一种新的数值方法——离散元素法（Discrete Element Method，DEM）。

离散元素法思路源于分子动力学，认为系统是由离散的个体组成，每个个体之间存在相互运动，计算每一个时间步长内每一个个体的力和位移，直到计算完最后一个步长。最早是由Cundall P.A.在1971年攻读博士学位时提出的，最初用于准静力或者动力条件下岩石边坡的运动分析^{[1, 2]}。随着离散元素法的发展演变，离散元素法被广泛应用于岩石工程、采矿工程、冶金科学与工程等工程领域。同时，也衍生出了许多离散元法软件。目前运用较广泛的软件有PFC(2/3D)和EDEM。其中，EDEM以友好的图形化操作界面及其功能、耦合模块的能力占了极大的优势。