Discrete element method

#1
Chào các bác.
Hiện tại em đang làm đề tài tự động dây chuyền chế biến lúa gạo. Em đang tìm kiếm một phần mềm để mô phỏng sự chuyển động của hạt gạo trong các quá trình theo phương pháp DEM (discrete element method).
Không biết bác nào đã từng đụng tới cái này có thể chỉ em vài đường được không.
 

Đang diễn ra: Cuộc thi thiết kế "Elite Product Designers 2020" trên MES LAB

umy

Well-Known Member
#2
Chào các bác.
Hiện tại em đang làm đề tài tự động dây chuyền chế biến lúa gạo. Em đang tìm kiếm một phần mềm để mô phỏng sự chuyển động của hạt gạo trong các quá trình theo phương pháp DEM (discrete element method).
Không biết bác nào đã từng đụng tới cái này có thể chỉ em vài đường được không.
phương pháp DEM (discrete element method) > Tìm kiếm, Ôn bài dành cho cho các kỹ sinh VN châm học có khái niệm.

1) Trích: Blog mô phỏng và thiết kế
https://meslab.org/threads/blog-mo-phong-va-thiet-ke-cad-cae-engineering.51574/#post-227124
Pathétique
[Entry 3] Sử dụng abaqus DEM mô hình hóa vật liệu cát trong drop test


Chắc ai chuyên mô phỏng drop test cũng quá quen với ví dụ kinh điển, 1 bình chứa nước rơi xuống và tính toán chuyển động của nước trong bình, sử dụng phương pháp Coupled Eulierian Lagrange (CEL).
Nếu thay nước bằng vật liệu cát, sỏi, hay hạt thì sao ? Cát cũng có thể chuyển động trôi như nước, nhưng cũng có thể xếp chồng lên nhau.
Nếu bạn tự hỏi mô phỏng bình nhựa chứa sỏi cát để làm gì, đúng là mình cũng chưa nghĩ ra để làm gì, nhưng trong 1 bài toán khác mình đã mất vài tháng để giải quyết. Cách đây 2 năm, mình phải mô phỏng quá trình kéo 1 kết cấu được chôn dưới đáy biển (cáp, máy đo, thiết bị dầu khí...) lên khỏi đáy. Mô hình khá trơn tru, bao gồm cả chuyển động của nước bắn tung tóe lên và sóng tỏa ra khi kết cấu được kéo lên khỏi mặt biển, cho đến bước mô hình hóa cát. Để kiểm tra behavior của cát, mình không tách kết cấu ra khỏi cát trong điều kiện ban đầu để chia lưới miền cát, mà mình isolate kết cấu trong 1 không gian hình hộp, sau đó step đầu sẽ cho cát rơi xuống phủ lên kết cấu. Chính step này đòi hỏi nhiều thời gian làm mô hình nhất, vì mình chưa bao giờ học cơ đất, nên vừa phải tìm 1 behavior laws thích hợp và tối ưu hóa.
Tuy nhiên bài toán trên có thể được giải quyết nhanh và tiện hơn rất nhiều khi sử dụng Discrete Element Method (DEM) (điểm mới trong abaqus 2016). Điểm mạnh của phương pháp này là xây dựng mô hình nhanh và tiện, kết quả chính xác và fiable, tuy nhiên thời gian tính toán khá lâu (mô hình trước của mình chạy khoảng 14h thì nếu dùng DEM mất khoảng 1 ngày), do chưa thể tính song song cho particle generator. Tuy nhiên khi dùng explicit trong bài toán hydrodynamics thì bình thường cũng dùng số lượng cpus hạn chế rồi (để tránh kết quả sai ở phần chia miền), nên chênh lệch vậy cũng không đáng kể so với việc kết quả được cái thiện rất nhiều.
Entry sau mô tả chi tiết hơn về 1 ví dụ cụ thể ứng dụng DEM (code abaqus):

2) Trích Thanh le Hoai VUDSE: https://www.facebook.com/groups/vudse/
Giới thiệu cả nhà phần mềm mô phỏng vật liệu rời rạc (Bulk material) EDEM số 1 hiện nay.
Phần mềm mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử rời rạc (DEM = Discrete Element Modelling). Ứng dụng thực tế trong lĩnh vực sản xuất máy móc nông nghiệp, Công nghiệp khai khoáng, công nghiệp nặng và dược phẩm.
Chúng ta khá quen thuộc với FEM, FVM, MBD nhưng có lẽ DEM vẫn còn khá mới mẻ. Thiết nghĩ cũng nên tìm hiểu đôi chút để mở mang nhỉ? Tài liệu khá phong phú tại đây:
https://www.edemsimulation.com/resources-learning/ebooks/

Ngoài ra EDEM có thể coupling với rất nhiều phần mềm khác như Ansys Fluent, Altair AcuSolve, MotionSolve Multibody Dynamic system.
https://www.facebook.com/mvp.tat/videos/10158322479693953/














  • Le Dang Manh FEM, FVM, MBD còn chưa quen giờ đẻ thêm DEM làm gì em?



  • Thanh le Hoai Le Dang Manh Vì FEM, FVM, MBD không giải quyết được các bài toán mô phỏng hạt rời rạc nên cần phải có cách thức khác để mô phỏng. Xu thế hiện nay là "Coupling Simulation and Simulate Everything" :) Mô phỏng những chi tiết đơn giản tách biệt là công nghệ cách đây 30 năm rồi, không phù hợp với nhu cầu thực tế ngày nay.

3) Trích VUDSE : Vinh Nguyenan CAD-Mesh-CFD Engineers
16. Mai 2020 um 00:55

Dạo gần đây thấy có nhiều post hay hỏi về Discrete Element Method (DEM) hoặc coupled CFD/DEM, nên mình viết 1 post ngắn chia sẻ về hiểu biết (cũng còn rất giới hạn) và kinh nghiệm làm việc với DEM khoảng hơn 2 năm trong mảng này của Vinh. Nếu thiếu sót hoặc sai chỗ nào thì mọi người góp ý để có thể trau dồi thêm kiến thức nha.
Numerical methods đưa ra những mô hình toán học xấp xỉ cho những lý thuyết vật lý mà mình biết, vì vậy để có cái nhìn tổng quát và hiểu về thế mạnh của DEM thì Vinh nghĩ chúng ta nên phân loại các numerical methods theo scale (time, space) của bài toán: Quantumn mechanics ( <= fs, <= Angstrom), Atomistic Simulation (ps - ns, nm – micro), Mesoscale (micro-mm), Continuum ( >= mm).
Continuum hay macroscale là các bài toán chính trong forum này, ở scale mà mình có thể quan sát bằng mắt thường và xem là môi trường liên tục, trong scale này chủ yếu là các phương pháp như Finite Element Method (FEM), Finite Volume Method (FVM),... mà các bạn đang làm. Nếu zoom hiện tượng nhỏ hơn 1 tí trong khoảng mm – micro thì chúng ta đến với Mesoscale, các dạng vật liệu điển hình không thể mô tả bằng môi trường liên tục khi mật độ thấp là rocks, sands, powder. Tiếp tục quan sát hiện tượng ở kích thước nhỏ hơn nữa, trong khoảng micro - nm thì những vật chất mà các bạn đang mô tả là môi trường liên tục như nước, kim loại,… sẽ được phân tách thành các atoms liên kết với nhau trong 1 mạng tinh thể nào đó, nổi bật trong scale này là Molecular Dynamics (MD). Và nếu tiếp tục zoom nữa thì chúng ta sẽ phải mô tả sự chuyển động của các electron, đây là thế giới của Quantum mechanics có thể kể đến Density Functional Theory (DFT). Theo V biết, Quantum simulation là simulation cơ bản nhất để đưa ra các kết quả làm database cho các scale khác dựa vào và xấp xỉ trong quá trình mô hình hóa các parameters.
Nguồn gốc phát triển DEM là để giải các bài toán về geomechanics, cụ thể hơn là rock, sands, powder, ... Những vật liệu đó rời rạc, không phải là môi trường liên tục để có thể mô tả đơn giản bằng các phương pháp truyền thống như Finite Element Method (FEM), Computational Fluid Dynamics (CFD), nhưng size của nó lại lớn hơn rất nhiều so với 1 atom để có thể dùng MD. Trong MD hoặc DEM, vật liệu được xem là các particles chuyển động và tương tác với nhau, đa phần là hình dạng particle là sphere, nhưng cũng có rất nhiều bài toán nghiên cứu hình học đặc biệt của particles. DEM được đơn giản hóa từ MD, chỉ khác nhau ở chỗ các particles trong DEM có kích thước lớn hơn và sự tương tác giữa các particles được tính dựa trên Hertz contact theory, trong khi các atoms trong MD tương tác thông qua trường lực (force field), có nghĩa là trong MD thì 2 atom ở xa nhau vẫn có lực tương tác, nhưng trong DEM chỉ những particles có tiếp xúc va chạm với nhau mới có tương tác, vì vậy time step cũng được chọn lớn hơn với giả thiết là sự va chạm trong mỗi time step chỉ lan truyền đến các phần tử gần nhất thôi. Trong DEM, các particles được cho phép overlap nhau 1 khoảng nhỏ, trong cái phần overlap đó, người ta tưởng tượng có các cấu trúc như spring, damper, dashpot,.. biến dạng và sinh ra phản lực khi các particles overlaps. Đó là các thành phần contact forces.
Vì sự va chạm của các particles khá phức tạp, cho đến hiện nay, các contact models vẫn tiếp tục được phát triển, từ linear đến non-linear. Về sau này, xuất phát từ bài toán thực tế để mô tả cho cemented rocks, DEM được thêm vào 1 bond giữa những particles để tính thêm ảnh hưởng của phần cement. Và hiện tại, chính cái bond được thêm vào trong DEM simulation đã giúp DEM còn tiến xa hơn nữa trong việc mô tả cả continuous materials, cạnh tranh với FEM.
Như chúng ta biết, để mô tả cho bài toán damage initiation hoặc crack propagation (bao gồm large deformation, discontinuity, high gradient, materials removal) thì classical FEM gặp rất nhiều khó khăn, trong khi bản chất của DEM lại là discontinuity giữa các particles.
Và hiện nay, coupling CFD-DEM được phát triển để mô tả sự chuyển động của dòng fluid có trộn lẫn solid particles, gặp rất nhiều trong thực tế.
Mọi người hay hỏi về software platform, nhưng mình nghĩ là cần hiểu về CFD/DEM theory thì mới có thể hiểu được thế mạnh và khả năng của các software, cho dù là commerical hay open-source. 1 chút chia sẻ ban đầu với các bạn, nếu các bạn hứng thú thì có thể trao đổi thêm. Cheers.

Kien Tran (VUDSE) Cảm ơn tác giả đã chia sẽ bài viết. Mình xin có góp ý 1 chút.
Geomechanics là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của các geomaterials. Do đặc tính tự nhiên rời rạc của loại vật liệu này, các hiện tượng vật lý liên quan đều gắn liền với 2 thứ: ma sát giữa các hạt, và sự mất và hình thành contact giữa các hạt trong quá trình chịu tải. Do vậy, phương pháp DEM lý tưởng cho mô phỏng geomaterials.
Tuy nhiên trong thực tế cho đến bây giờ thì phần lớn các bài toán (boundary value problem) trong Geomechanics vẫn sử dụng mô hình FEM để giải quyết. Và trong 1 mô hình FEM, thì geomaterials được mô tả thông qua các constitutive laws xây dựng qua thực nghiệm như định luật Hooke hay Coulomb... Do computation cost lớn, phương pháp DEM chủ yếu chỉ dùng cho nghiên cứu, phân tích micro-mechanic behavior, từ đó giải thích hoặc xây dựng các "constitutive laws" cho các vật liệu "geomaterials". Hiện nay, một số nhóm nghiên cứu áp dụng DEMxFEM coupling cho các boundary value problems để tận dụng trực tiếp "constitutive law" từ mô hình DEM.

4) umy (Meslab)
Ngoài ra có thể tự xem thêm
PFEM : Particle Finite Element Method - Cimne
www.cimne.com › pfem

https://www.cimne.com/pfem/
Kratos. Home · About the PFEM · What is the PFEM? Introduction · How does the PFEM work? Publications · Contact · Areas of study; Gallery.
 
Last edited:
Lượt thích: Done

Thành viên đang online

Top