Od psích chlupů až po obilí: Rocky DEM rapidně rozšiřuje možnosti modelování vláken

DEM (Discrete Element Method) se stává ve světě numerických výpočtů široce využívaným nástrojem. S tím se zvyšují také požadavky na větší variabilitu tvaru částic a jejich materiálových vlastností. Částice, které se snažíme v simulacích co nejvěrněji popsat, mají často tvar vláken (jako například seno či vlasy). U těchto částic již nelze zanedbat jejich poddajnost.

Obvyklý výpočetní kód využívající DEM většinou reprezentuje částice jako shluk „slepených“ kulových těles. Výhodou tohoto přístupu je především snadná detekce vzájemné blízkosti těles v kontaktních algoritmech, neboť se pokaždé hledá pouze koulemi (vzdálenost mezi dvěma body). Nevýhod je však celá řada, například problém s modelováním protáhlých částic. Rozsáhlé simulace, které obsahují mnoho částic s velkým poměrem stran (protáhlé částice) téměř není možné modelovat. Například pro přesné modelování stonků sena s poměrem stran 1:1000 je potřeba alespoň 1000 kulových částic (s průměrem 1 mm), což vede k extrémně dlouhým výpočetním časům a neúnosným nárokům na paměť.

V tomto článku se dozvíte, jak Rocky DEM řeší jednotlivá úskalí modelování vláken. Díky tomuto přístupu pak lze efektivně modelovat částice s velkým poměrem stran jako například seno, klasy obilí, zvířecí chlupy, sítě, klády a mnohé další.

Tuhá vs deformovatelná vlákna

V Rocky DEM můžeme pro modelování částic, u nichž výrazně převládá jeden rozměr nad ostatními (můžeme je popsat pomocí úsečky nebo několika úseček v trojrozměrném prostoru), použít typ tvaru částic "fiber"

Vlákna pak mohou být tuhá nebo (pokud jsou složena z několika segmentů) deformovatelná. V případě deformovatelných vláken se jedná o několik válcových částic s kulovým vrchlíkem spojených pomocí elastických a viskózních vazeb.

Pokud se jednotlivé části vlákna pohybují, dochází ve vazbách k deformaci a relativnímu natočení. V reakci na tyto deformace a natočení, působí v jednotlivých vazbách síly a momenty  tak, aby zachovaly normálovou a smykovou tuhost vlákna. 

Následující příklad ukazuje simulaci tlakové zkoušky se stonky sena. Při zkoušce je vyhodnocována závislost síly na posuvu spolu s hysterezním chováním sena. Tyto charakteristiky jsou poté využívány ke kalibraci parametrů materiálu sena pro budoucí DEM simulace.

Přímá vs libovolně tvarovaná vlákna

Modelování vláken umožňuje využívat jak přímých vláken (kde je tvarem vlákna jednoduchá úsečka), tak libovolně tvarovaných vláken. U tvarovaných vláken může být provázanost jednotlivých částí větvena (nemusí být nutně navázány jedna za druhou) a mohou tak tvořit nejrůznější komplikované struktury. Jednotlivé části těchto struktur se přitom mohou lišit jak průměry vláken, tak tuhostí vazeb, což výrazně rozšiřuje soubor aplikací, které mohou být pomocí DEM modelovány.

Anisotropie, plastická deformace, kritéria porušení

Modelování vláken v Rocky DEM umožňuje zahrnout také plastické deformace, anisotropii a porušování. Tyto vlastnosti mohou být u některých druhů vláken rozhodující a jejich zahrnutí do modelu tak může být nezbytné pro dosažení dobré korelace mezi modelem a realitou.

Rovněž je možné předepisovat tuhost ve vazbách jednotlivě: normálová, tangenciální, ohybová a torzní. S využitím bilineárního elastoplastického modelu pak můžete modelovat přechod mezi elastickým a elastoplastickým režimem včetně porušovacích kritérií. Díky tomu je možné v simulacích zahrnout ztrátu tuhosti ve vazbě nebo přímo porušení soudržnosti vlákna.

Ukázky využití modelu deformovatelných vláken

Zvířecí chlupy ve vysavači

Tento příklad představuje jednosměrné propojení DEM a CFD. V simulaci je modelováno chování velkého množství zvířecích chlupů uvnitř vysavače. Zvířecí chlupy byly modelovány pomocí deformovatelných vláken s různými průměry. Tato vlákna jsou uvnitř vysavače unášena rychlostním polem, které bylo napočítáno pomocí programu Ansys Fluent.

 

Obraceč sena

V této ukázce je modelován proces obracení sena. Díky simulaci je možné analyzovat vliv jednotlivých podmínek procesu a zajistit tak co možná nejlepší provzdušnění a vysušení sena. Aby bylo možné zahrnout takto velké množství deformovatelných vláken do simulace, bylo nutné využít možnosti multi-GPU výpočtu.

 

Kombajn

Tento příklad představuje simulaci sečení obilí lištou kombajnu. V této simulaci bylo nutné zohlednit plastické deformace a porušení vláken . Jednotlivé klasy byly modelovány jako větvená deformovatelná vlákna.

 

Drtič větví

V simulaci byla analyzována efektivita drtiče větví pro různé úhlové rychlosti rotujících disků. Současně bylo zkoumáno, zda nedochází v některé části drtiče k ucpávání. Větve byly modelovány jako libovolně tvarovaná deformovatelná vlákna se zahrnutím modelu porušení.

 

Dřevozpracující průmysl

DEM výpočty využívající vlákna naleznou uplatnění také v dřevozpracujícím průmyslu.

 

Gumoví medvídci v síti

Pomocí libovolně tvarovaných deformovatelných vláken je možné simulovat také například sítě. V příkladu do sítě dopadají gumoví medvídci, kteří jsou modelováni jako konkávní částice.

 

Zaujaly Vás možnosti programu Rocky DEM?

Zjistěte více zde nebo nás kontaktujte a my vám povíme víc.

Pokud byste měli zájem bezplatně získat zkušební verzi programu můžete o ni požádat zde.

 

Plain text

  • Nejsou povoleny HTML značky.
  • Webové a e-mailové adresy jsou automaticky převedeny na odkazy.
  • Řádky a odstavce se zalomí automaticky.
 

 

Hotline:

+420 724 895 455

hotline(at)svsfem(dot)cz

Online HelpDesk

 
facebook youtube