离散元法(DEM)模拟，用于散装物料生产资产的操作验证

文/布莱恩·摩尔|2022年5月27日

在从采矿和矿物加工到进出口供应链操作以及化学生产等行业中，为颗粒状散装固体的流动、处理和储存确定适当的设备几何形状和配置非常重要。

任何瓶颈都会导致预算和进度超支，最终影响客户的底线。在设施或项目的早期设计阶段使用离散元法(DEM)模拟可以帮助避免这些问题，并实现设备的指定铭牌容量。

DEM是一种软件工具，它提供了散装物料如何流动以及与设备(如转移溜槽、地下生产提升机和矿山运行(ROM)矿石分级系统)相互作用的精确可视化模拟。

由于这是一种模拟，与设计物理模型或在调试期间对设备进行现场修改相比，计算机辅助工程提供了更具成本效益的概念开发和验证机会。DEM的多功能性提供了能够量化各种指标的优势。

例如，客户需要一个转移槽来运输颗粒状材料，可以使用DEM来分析任何数量的“假设”场景。他们可以模拟出在一定范围内物质流动的速度流动性特征。他们可以模拟浪涌加载效应或堵塞事件，并能够确定问题的起始位置，并制定解决方案来补救它。

粘性磨粒ROM铜矿在三种容量下的DEM评估和分流操作，以供两个接收输送机中的任何一个使用。

图1:粘性磨粒ROM铜矿在三种产能下的DEM评估和分流操作，以供两个接收输送机中的任何一个使用。

这种类型的故障排除能力是无价的，可以应用于多个工业部门，包括采矿、矿物加工和能源，并取得积极成果。例如，在采矿中，DEM模拟可以预测重的、锋利的磨粒铁矿石对设备磨损寿命的长期影响，从而使客户能够掌握维护问题。

DEM模拟还可以通过应用“数字化”调试方法来支持项目启动，该方法允许客户在进行制造和安装之前确定和优化计算机辅助工程(CAE)环境中的散装物料流要求和设备配置。

DEM之所以成为一种更有效和更被接受的模拟工具，有几个原因，包括:

  • DEM软件包——曾经仅限于大学的研究和开发部门——在公共领域得到了更广泛的建立和使用。
  • 持续的计算机硬件发展，特别是图形处理(GPU)的进步和计算能力，允许不断增加的高分辨率虚拟模拟和越来越大的粒子群。
  • 在大型项目的工程阶段验证散装物料设备和设计时，建立主要客户公司对DEM的认可。主要原始设备制造商在各自的设备设计开发中使用DEM值得注意。

DEM模拟在为客户提供处理散装颗粒材料的设备的创新、实用的解决方案方面有着良好的记录，未来前景广阔。

获得额外的好处时耦合与其他CAE软件模块，主要是计算流体动力学(模拟流体和颗粒固体的相互作用)，有限元分析(颗粒固体载荷问题下的结构分析)和机械多体系统(预测设备行为与大块材料的相互作用情况)。见图2。

卷筒提升机卸料运动评估(耦合DEM和多体运动仿真，卷筒提升机倾卸运动由导向轮在轮廓轨迹内的行程控制)。

图2:滚筒提升机卸料运动评估(耦合DEM和多体运动仿真，滚筒提升机倾卸运动由导向轮在轮廓轨道内的行程控制)。

还有无数的新应用程序正在从研究和开发计划转变为有效的工业机会。这些机会的例子包括复杂的颗粒形状，包括柔性颗粒，开发新的材料接触模型和在储存箱工程中的应用，颗粒破碎模型在材料降解中的应用(参见图3)和粉碎，结合传热分析的物料流建模，或磁场，静电场，以及颗粒组合的分离和混合效率的评估。

冻土矿石退化标定及BMH设备评估的DEM建模

图3:用于BMH设备评估的冷冻矿石退化校准和DEM建模

当涉及到模拟散装物料的处理和流动时，可以说DEM是一个成功的模型。

参见卢克·斯通的博客先进的模拟，以了解季节对操作的影响详细介绍了灰熊中冻结的材料是如何造成堵塞的，以及如何使用DEM来更好地理解操作挑战，从而解决问题。