離散元軟件EDEM 在礦冶工程中的應用與研究

朱曉蒙，蔡曉蘭，周 蕾，吳少鵬，潘文豪

（昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南昆明 650093）

0 引言

與在連續性假設基礎上研究工程問題的有限元法不同，離散元法（Distinct Element Method，DEM）是一種處理非連續介質數值模擬問題的方法，其理論基礎是不同本構關系（應力—應變關系）的牛頓第二定律［1-3］。離散元法主要用于分析求解復雜離散系統動力學，認為系統是由離散個體組成，個體之間存在接觸與脫離，存在能量、運動與力的聯系［4］，最初主要應用于巖石力學［5-7］，后經不斷改進發展，在機械、農業、建筑、冶金和礦業等眾多領域中也得到了廣泛應用［8-17］。

同時，眾多離散元仿真軟件伴隨著離散元法理論的發展相繼問世，如PeterCundall 博士加盟的ITASCA 工程咨詢公司開發出PFC2/3D 軟件、我國自主研發AgriDEM（Agricultural Discrete Element Method）、UDEC計算工具以及EDEM 等［18-24］。其中，EDEM 軟件友好的圖形化操作界面和耦合模塊，使其在眾多軟件中脫穎而出，應用最為廣泛。

本文闡述EDEM 軟件的構成與應用，分析其在礦冶領域方面應用的優勢，并對其研究趨勢進行探討。

1 EDEM 的組成與優勢

1.1 EDEM 的組成

離散元軟件EDEM 是世界上第一個現代化、多用途且應用離散元法建模的軟件，主要通過對生產過程中顆粒系統的模擬、仿真和分析，對設備進行改進和優化，目前被廣泛應用于農業、礦冶、機械等眾多領域［25-33］。軟件主要由前處理（Creator）、求解器（Simulator）和后處理（Analyst）3 部分組成［34-35］，如圖1 所示。

Fig.1 EDEM structural framework and its functions圖1 EDEM 組成及其功能

EDEM 前處理模塊主要進行顆粒模型結構的導入與建模，求解器模擬系統運動過程，后處理工具對計算結果進行處理。EDEM 后處理功能十分強大，可以進行任意變量組合的可視化和圖表化操作。

EDEM 在分析處理問題時，以兩個相鄰單元之間的相對位移為變量，單元之間的相互作用力（法向力和切向力）通過力和位移的關系求解，通過受力情況運用牛頓第二定律求解單元的運動狀態。

1.2 EDEM 較于其他離散元軟件的優勢

（1）界面友好性。EDEM 擁有強大的用戶圖形界面，操作簡單。如圖2 所示，左側軟件前處理模塊用于設置材料屬性、材料性能以及選擇仿真模型，中間部分直觀地顯示模型狀態，右側則可以設置模型的透明度等參數。整體操作過程簡單、學習應用方便。

（2）計算先進性。EDEM 采用最先進的DEM 算法，計算速度快。

Fig.2 EDEM software operation interface圖2 EDEM 軟件操作界面

（3）模擬準確性。EDEM 可以準確模擬非球形顆粒，如玉米種子顆粒模型［36］（見圖3）、不規則礦石顆粒模型、土壤顆粒模型等，非球形顆粒模擬使得顆粒形狀更加貼近于真實顆粒形狀，模擬結果更加趨近于真實數據結果，模擬具有較高的準確性。

Fig.3 Corn seed particle model圖3 玉米種子顆粒模型

（4）兼容性。EDEM 可以導入多種CAD 軟件，可以模擬顆粒—顆粒、顆粒—流體、顆粒—機械等的相互作用［37］。

2 EDEM 在礦業工程中的應用

采礦及礦物加工在礦業工程領域研究中占據重要地位。近年來，傳統的采礦及礦物加工設備在科技發展下不斷更新換代，在如擠壓粉碎磨機、螺旋篩分機、顎式破碎機、煤層掘進機等的研發改造中［38-41］，EDEM 軟件充分發揮了其模擬仿真的優越性。

商竹賢等［13］在傳統研磨機的基礎上，通過EDEM 軟件模擬仿真研發出基于物料相對運動使物料磨碎的擠壓粉碎磨機。其通過對物料研磨過程的仿真分析，進一步優化了研磨機的結構參數；通過對物料相對運動的分析，簡化了整個研磨過程中的復雜行為動力學。同時，優化結構參數也為研磨機設備的進一步技術提升提供了理論指導。

車雨嵩［42］通過EDEM 軟件對雙級錘式破碎機的雙轉子轉速、轉子間中心距離以及轉子間角度等破碎效率影響因素進行仿真分析，得出各影響因素的先后順序，進一步展示了破碎機內的破碎過程，為破碎機相關研究提供了參考。

汪建新等［43］結合EDEM軟件，基于PFL-600型破碎機，提出新型反向雙轉子立軸破碎機的創新設計。以新型破碎機下轉子為研究對象進行力學分析，通過研究礦物破碎與時間的關系，最終得出新型破碎機破碎效率提高約13%。由EDEM 仿真、分析和比較等方法，研究了物料破碎與各因素的聯系，實驗使得仿真結果更加具有信服力，為設備的創新設計提供了更多思路。

李偉［44］運用EDEM 模擬簡化的新型煤泥分級機，分析其分級機理與性能影響參數，最后得出顆粒在新型煤泥分級機內的運動是復雜的、螺旋輥的轉速是影響新型煤泥分級機分級性能的重要因素等結論。

由此可見，在礦業的應用中，EDEM 多數用于設備的創新設計、優化設計等方面。眾多學者通過EDEM 仿真、仿真與實驗結合等方法，使得仿真結果越來越準確。通過各影響因素的研究，進一步為設備研究與發展提供思路與方法，推進設備更新和技術發展。

3 EDEM 在冶金工程中的應用

在冶金工程領域，超細粉體技術的發展越來越全面，對于超細粉體的制備要求越來越高，而相應地，對制備設備即球磨機的要求也日益提高［45-46］。當前，眾多研究的工業化應用趨勢，使得球磨設備相關研究越來越趨向于工藝簡便化和使用效益化，促使眾多研究人員在球磨設備的使用壽命、球磨效率等方面進行廣泛深入研究，主要包括球磨設備的介質參數和結構設計兩方面。

一般而言，一臺球磨設備主要是由進料部、出料部、回轉部和傳動部等幾部分組成［47］。回轉部主要包括研磨倉體，是球磨設備的重要位置。許多學者通過改善回轉部的結構以提高球磨設備的使用優越性。比如，改變球磨倉體的腔形結構以提高球磨效率、改善球磨機球磨襯板結構以減小設備磨損提高使用壽命，以及改善球磨葉片以提高破碎性能等［48-50］。

高強［51］通過EDEM 軟件以1∶1 建立了HCX-2L 攪拌球磨機研磨倉體的仿真模型，如圖4 所示。其通過EDEM 仿真計算，分別研究了工藝參數的選取以及葉片尺寸結構的不同對攪拌球磨機磨礦性能的影響，主要是對磨礦強度、碰撞相對法向速度、消耗功率和總碰撞能等幾方面進行探究。通過EDEM 仿真計算求解，得出以下結論：①破碎能力最強且能量利用率最優的工作參數選取為轉速1 300r/min，研磨介質填充量為3.5kg；②以破碎能力為指標的球磨機最佳攪拌葉片直徑為115～125mm，攪拌葉片厚度為6～10mm，最優的破碎能力最強且能量利用率最優的攪拌葉片直徑尺寸為120mm，厚度為9mm。其研究為今后球磨機的進一步改進設計提供了一種方法，也提供了參數條件選取的參考性。EDEM 仿真模擬不僅解決了仿真過程中的大數據計算問題，同時也節約了人力物力及財力成本，使得球磨設備的研究更加便捷。

Fig.4 Isometric views and section view of the simulation model of the stirred mill圖4 攪拌球磨機仿真模型的軸側圖和剖視圖

此外，宗路等［52］提出新型的偏心式球磨機，即球磨機的轉軸與球磨倉的中心線不在一條直線上。通過EDEM 仿真模擬發現偏心式球磨機筒體內的死區面積相對于傳統類球磨機內的死區面積較小、筒內物料的動能更高、物料所受的接觸力更大，磨礦效果更好。Belinsky 等［53］利用EDEM 和ANSYS 軟件耦合分析載荷用于球磨機的動態情況。研究結果表明，球磨機在振動條件下經受小變形和應力不會影響球磨機結構的強度；Mayank 等［54］提出一種全新的三階段式磨機方法，通過EDEM 結合CFD 方法對流體進行連續描述，模擬磨機內部漿料的實際運動情況。

除直接改善球磨設備的結構設計外，許多學者還研究了球磨過程中的參數問題［55］。比如，饒金輝等［56］通過EDEM 仿真研究了磨球力學量、運動量和位置量的變化規律及聯系，同時研究了物料破碎發生區域及其與磨球運動狀態的聯系；梁曼［57］揭示了球磨過程中不同影響因素下介質群運動微觀區域變化對顆粒破碎效率的影響機理；郭晉等［58］利用EDEM 及其二次開發，通過響應曲面法（RSM）建立球磨機磨礦能耗預測模型發現，各因素對球磨機磨礦能耗的影響程度為：轉速率>襯板個數>物料填充率>料球比；何智文［59］通過EDEM 模擬各工況下磨機內部物料的運動狀態得到磨機轉速、充填率、襯板材質與結構等關鍵參數對磨機生產效率的影響規律；王曉等［60］利用EDEM 得到不同填充率下不同顆粒的碰撞狀況，探索了有用功率和顆粒碰撞之間的關系。

由此可見，在冶金工程領域的應用中，研究者大多利用EDEM 及其二次開發、CFD 耦合等，探究不同工藝參數及結構參數下的影響，通過不同理論方法探索球磨機的仿真情況，在固定以及簡化多數影響因素的情況下，將某因素影響效果最大化，為球磨機的發展鋪墊道路。

4 結語

近年來，在工程設備優化研究中，EDEM 軟件的良好仿真性能起到了重要作用，不斷幫助完善設備性能，使得眾多學者對于工程設備的研究越來越深入。而EDEM 與ANSYS 等軟件良好的耦合性［61-62］，使得仿真數據更加真實，且在人力物力財力成本節省等方面優勢較明顯。目前，EDEM 軟件經過一代又一代的改進，植入了許多新型模型，可以直接應用于設計仿真。但是，在目前設計仿真過程中，EDEM 軟件仍需進一步開發，使得模擬仿真的結果與實際實驗吻合度更高。因此，在未來模擬系統中，EDEM 仍具有良好的應用前景和研究拓展空間。