離散元素方法技術

一種對顆?；蛭⒘２牧辖５碾x散元素方法，該方法包括多重柵格搜索方法，該多重柵格搜索方法是階層的柵格搜索方法，其中諸如微粒和邊界元素的實體基于尺寸被分配給相應柵格的單元。該搜索方法還包括：(a)在第一柵格層中執(zhí)行單元搜索以確定滿足被納入到鄰居列表的預定標準的實體對，對于該鄰居列表來說，兩實體均屬于第一柵格層；(b)將第一柵格層中的每個非空單元映射至其它柵格層中的每一個，確定其它柵格層中的每一個中的相鄰單元并確定屬于滿足納入到鄰居列表中的預定標準的層對的所有實體對；以及(c)對于所有柵格層重復(a)和(b)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及離散元素過程。具體地說，本專利技術涉及用于對顆粒或微粒材料建模的。背景(DEM)是由計算機系統(tǒng)執(zhí)行的過程，該過程允許預測顆粒(微粒)材料的流動和結構。與該過程關聯(lián)的主要物理現(xiàn)象是圓錐花序(panicle)之間以及微粒和固體(例如設備)之間的碰撞。過程 的應用示例包括但不局限于:(i)礦石加工中巖石的粉碎和研磨，其中為提高過程效率、生產率和設備設計并降低設備磨損，由該過程產生的數(shù)據(jù)提供關于微粒的流動和破裂的信息。(ii)用于食品、塑料、藥品和家用產品制造的粉末和細粒的混合，其中為改善混合過程和設備設計，由該過程產生的數(shù)據(jù)提供關于流動、混合、微粒生長、破裂和結塊的信息；(iii)微粒通過加工設備的傳輸和流動，其中由該過程產生的數(shù)據(jù)提供用來理解和優(yōu)化設備設計的信息；(iv)采掘和挖掘，其中由該過程產生的數(shù)據(jù)提供用于提高效率的信息；(V)巖石切割和粉碎，其中該信息被用來提高切割效率并降低設備磨損；(vi)山崩和泥石流，其中由該過程產生的數(shù)據(jù)提供用于計劃、減輕和災難響應管理的 目息。在DEM模擬中將存在許多微粒，每種微粒具有特定的屬性，例如尺寸、形狀、密度和碰撞特性。也經常存在邊界對象，它們可能具有任意復雜的形狀，尤其表征為表面網眼或由例如線、平面、圓柱、圓弧等經修整的幾何圖元表征?；綝EM過程通過時間推進而繼續(xù)，其中系統(tǒng)經一小的時間增量從一種已知狀態(tài)演化至新的一種狀態(tài)，并產生所有狀態(tài)信息的更新。存在三種要素:(i)確定哪些微粒是接觸的；(ii)對于與其它微?；蜻吔缃佑|的那些微粒，計算它們之間的力；以及( iii )對微粒和對象上的凈力和扭矩求和并對它們的運動求積分以預測新的位置、取向、速度和旋轉。用于確定哪些微粒是接觸的過程可能是方法的非常復雜和計算成本昂貴的部分，因此已研發(fā)出特定的手段來將這些成本降低至可管理的水平。最簡單的方法(其成本在N2的數(shù)量級，其中N是微粒數(shù)目)是在每個時間步簡單地檢查可能的接觸對中的每個對。對于小值的N(即〈1000)，這是可行的但效率非常低。對于較大的模擬，接觸檢測的成本需要在N數(shù)量級以使模擬變得可行。這可通過較不頻繁地執(zhí)行接觸中的微粒搜索并在搜索期間通過建立從搜索時間起在特定時間周期內可能碰撞的實體對的列表(邊界對象的微?；虿糠?來達成。這有時被冠名為鄰居列表或鄰近列表或相互作用列表。在每個時間步，僅針對鄰居列表中的多對實體執(zhí)行接觸檢測。指定主體的最小間隔以包含在此鄰居列表中。關于微粒速度和最小間隔的信息可被用來估計列表有效的最小持續(xù)時長。這意味著不處于鄰居列表中的實體之間是不可能發(fā)生任何碰撞的。如此，在每個時間步只需要檢查這些對，由此產生可觀的節(jié)省，當超過該有效周期時，沒有首先檢測到接觸的話，該過程無法保證這些實體不重疊。該鄰居列表隨后需要被更新。典型地，這是通過執(zhí)行新的搜索來完成的。DEM過程因此可使用兩個嵌套環(huán)。外環(huán)控制搜索定時和鄰居列表的結構/或更新。對于鄰居列表的每種體現(xiàn)，內環(huán)使一系列時間步被執(zhí)行，從而使用列表使系統(tǒng)隨時間前行，以提供諸個對來對其檢查接觸以及針對接觸的那些進行后續(xù)計算。然后對力求和并對微粒和對象運動求積分。在圖1中為清楚起見針對給定模擬環(huán)境示出這一 DEM模擬過程的原理，該給定模擬環(huán)境具有包括如前列出的預定屬性的微粒的混合物，并具有預定的邊界對象(例如例如容器壁)?！な紫龋诓襟E102針對時間t = O確定模擬中的每個微粒的最初位置(包括單元地點)、取向、速度和旋轉。在步驟104，鄰居列表被如前所述地確定以包括多對實體(微粒或邊界對象)。在步驟106，考慮鄰居列表中的實體對以判斷在時間t它們是否相互接觸。對于彼此接觸的每對實體，在步驟108計算實體上的凈力和它們的扭矩，并在步驟110求積分以確定所考慮實體的新位置、取向、速度和旋轉。在步驟112，時間t遞增，并且在步驟114，將t與鄰居列表的有效周期比較以確定該周期是否已屆滿。如果已屆滿，則過程返回到步驟104并重復搜索可能相互作用的實體；如果尚未屆滿，則過程返回步驟106并重復步驟106-114。為完整起見需要注意，除針對DEM方法計算出的碰撞力外，可納入附加的力來表征其它因素的影響，例如間隙泥衆(zhòng)(interstitial slurry)、微粒間聚合、電磁效應和其它體積力。這些力被加至碰撞力以給出關于微粒的凈力，這些凈力被用于牛頓等式的求積分以預測微粒和對象的運動。此外，附加地，為了確定微粒和對象的運動，DEM方法也涉及基于運動產生輸出，這些輸出被用于理解和描述被建模的過程。這些包括但不僅限于，預測能量流動和耗散、邊界對象上的磨損、微粒的破裂和生長以及關于混合和隔離的信息。在DEM方法中，微粒可在數(shù)量上改變并且其屬性可能隨時間改變。這些可能源自流入和流出計算域、微粒的破裂、破壞和形成微粒的過程、結塊、侵蝕和形狀改變。在圖1的步驟104執(zhí)行的許多搜索方法已被研發(fā)出并多數(shù)依賴于使用柵格以執(zhí)行微粒和邊界對象的部分的定位。一些依賴于階次列表(ordered list),另外一些依賴于樹子分集而其余一些依賴于建立網眼(mesh)(例如通過Voronoi鑲嵌圖)。典型地,非柵格方法不是階次N，但近場是階次N log (N)，這使它們不適用于大規(guī)模的DEM模擬?；跂鸥竦乃阉魇褂靡?guī)則的方形柵格(二維的)和立方單元(三維的)，它們覆蓋在微粒和對象之上。這些實體(微粒和對象組件)被映射到柵格單元并針對每個柵格單元以某一形式的結構存儲。在給定單元中的微粒的鄰居可通過檢查位于相鄰單元內的實體來尋找。由于已知單元的鄰居單元是容易識別的，因此柵格將來自整個解空間的搜索定位到已知和識別出的子集，這些子集的內容是易于識別的。當使用柵格時要作出的主要判斷是擬使用的單元尺寸和任何單元周圍需要對鄰居進行檢查的單元數(shù)目。存在三個主要選項:(I)單元尺寸足夠小以使模擬中的最小微粒只堪配合到該單元中。這確保了每單元只有一個微粒存在并因此將微粒存儲在單元中非常簡單。當尋找微粒的鄰居時，必須通過檢查所有邊上的足夠單元來執(zhí)行搜索，因此能檢測到在足夠靠近乃至成為鄰居的包含系統(tǒng)中最大微粒的任何單元。需要被搜索的物理距離受實體尺寸之和(即球形微粒的微粒半徑之和)控制。這種手段的弱點在于，隨著微粒尺寸比或多散布(poly-dispersity)的程度(其表示最大和最小微粒之間的比)增加，覆蓋該物理搜索空間的單元數(shù)目變得非常大。例如，以100:1尺寸比，最大微粒將在每個方向上覆蓋在100個單元周圍。最壞的情形是兩個毗鄰的大尺寸微粒。這需要搜索3003尺寸的單元立方體(或27000000個單元)。這需要重復尋找柵格中的每個單元的鄰居。隨著尺寸比增加，所有這些檢查的成本變得更高，并且搜索性能顯著惡化。(2)單元尺寸足夠大僅堪覆蓋最大的微粒。在這種情形下，物理搜索空間一直由每個方向3單元的立方體覆蓋——在三個維度中的每個維度上搜索鄰居的基礎單元每一邊上的一個單元(即27個單元)。因此，鄰居單元的識別非常簡單和快速。盡管如此，該方法意味著在每個單元中可能存在許多微粒。需要一些形式的存儲結構——例如列表、連接表或散列表——來存儲每個單元中的微粒和對象組件的身份。查找它們增加了該搜索變例的花費。這種手段對于適中的多散布來說工作良好，但對于本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：P·W·克萊利，
申請(專利權)人：聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織，
類型：
國別省市：