Rocky dem руководство

Webinars, ebooks and more

Educational content to guide your processes towards the future of engineering simulation.

---

• 1
• 2
• 3
• …
• 13
• Next

Относительно недавно в перечне продуктов появился интересный инструмент Rocky DEM, о котором будет рассказано в данной статье.

Rocky DEM — это эффективный инструмент для моделирования динамики и теплообмена сыпучих сред, оболочечных материалов и различных волокон методом дискретных элементов (DEM).

К основным особенностям продукта можно отнести следующее:

• произвольные формы частиц
• продвинутые модели разрушения частиц, поверхностного износа и адгезии
• сверхпроизводительные мульти-GPU вычисления,
• простая и эффективная работа с движением геометрии
• передовые удобные средства постобработки
• полная интеграция с Ansys Workbench
• автоматизация и кастомизация расчётов

Область применения

Основными сферами применения являются:

• Металлургия и горное дело (руда, мельницы, конвейеры)

Рисунок 1 — Моделирование износа конвейера

• Нефтегазовая промышленность

Рисунок 2 — Моделирование процесса засыпки трубопровода гравием

Рисунок 3 -Моделирование фильтров (без частиц и с частицами)

• Транспортная промышленность (карьерная техника, гусеничная техника, кораблестроение и т.д.)

Рисунок 4 — Движение по пересеченной местности

Рисунок 5 — Моделирование движения ледокола

• Сельскохозяйственная и пищевая промышленность

Рисунок 6 — Моделирование покоса травы

Методы решения

Метод дискретных элементов (DEM) — это численный метод, который эффективно применяется для прогнозирования поведения сыпучих материалов. Объемное твердое тело может быть представлено в виде твердых частиц (гранулированная среда).

В качестве примера могут быть рассмотрены процессы перемещения зерна через перерабатывающее оборудование, добычи руды и движение песка в песочных часах. Моделирование системы частиц осложнено их поведением, так как частицы могут вести себя как твердые тела, как жидкость или их комбинация. Например, песок в песочных часах ведет себя как жидкость, в то время как куча песка может иметь отклик подобный поведению твердого тела.

DEM — это бессеточный метод, поэтому уравнение движения сплошной среды не решается. Следовательно, нет закона, описывающего напряженно-деформированное состояние. Вместо этого соотношение напряжений и деформаций может быть получено в качестве результата. Стандартный алгоритм данного метода представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 — Алгоритм метода дискретных элементов

Уравнение движения для каждой отдельной частицы численно интегрируются по времени. Для этого процесса суммарная сила на частице должна быть известна. Суммарная сила является результирующей силой от сил в контакте (между частицами и с границей) и объемных сил. Примерами объемных сил являются сила тяжести (вес), воздействие газа или жидкости, а также другие силы, такие как как электростатические, электромагнитные и т. д.

Силы в контакте состоят из двух составляющих:

• в нормальном направлении (формулировка Walton & Braun [линейная пружина с гистерезисом]; линейная упруго-диссипативная модель; упруго-диссипативная модель Герца);
• в касательном направлении (модели Кулона; модель Mindlin-Deresiewicz, учитывающая динамическую составляющую, скольжение, демпфирование и эффективную массу частиц).

Также в Rocky DEM встроены модели для описания адгезии, качения, износа, теплообмена и имеется возможность моделирования систем крупных частиц.

Преимущества

Прежде всего метод дискретных элементов может эффективно заменять классическую явную динамику при необходимости моделировать достаточно продолжительные процессы. На рисунке 8 представлен пример постановки задачи краш-теста картофельного чипса в Explicit Dynamics и Rocky DEM. Кроме того, преимущества Rocky заключаются в высокой эффективности определения контакта и достаточно точном моделировании хрупкого разрушения с сохранением массы (см. Таблица 1).

Рисунок 8 — Сравнение решения задачи в Explicit Dynamics (Autodyn) и Rocky DEM

Таблица 1 — Сравнение Explicit Dynamics (Autodyn) и Rocky DEM

Сравнения по доступности и возможностям с другими продуктами представлены в таблице 2. По причине того, что моделирование систем частиц зачастую связано с моделированием газов и жидкостей, то в таблице также приведены решения для подобных задач. Продукты с открытым исходным кодом, конечно, бесплатные, но реализация в них сложных задач крайне затруднительная (во всяком случае на момент написания статьи). В плане интеграции с ANSYS у Rocky действительно все отлично, причем не только с Fluent, а практически со всеми модулями, которые реализованы в Workbench. По возможностям Rocky существенно обгоняет ближайших конкурентов из ALTAIR не только по реализации различных алгоритмов, а в первую очередь, конечно, по возможностям распараллеливания задач на GPU. Действительно, задачи с системами частиц решаются существенно быстрее на видеокартах.

Таблица 2 — Сравнение Rocky с другими продуктами

Заключение

Метод дискретных элементов может эффективно применятся для моделирования систем частиц, а также для моделирования нестационарных процессов для которых использование метода конечных элементов затратно. Благодаря тому, что Rocky имеет возможность описывать частицы любой формы, моделировать раскол, дробление и износ, а также тесную интеграцию с продуктами ANSYS, это делает его мощным инструментом для решения сложных междисциплинарных задач.

Эффективный инструмент для моделирования динамики и теплообмена сыпучих сред, оболочечных материалов и различных волокон методом дискретных элементов (DEM).

RockyDEM выделяется на фоне аналогичных программных продуктов рядом полезных возможностей: произвольные формы частиц, сверхпроизводительные вычисления на нескольких видеокартах, продвинутые модели разрушения частиц, поверхностного износа и адгезии, простая и эффективная работа с движением геометрии. За счет интеграции Rocky DEM и Ansys Workbench расчет поведения частиц можно выполнять с учетом аспектов механики деформируемого твердого тела, вычислительной гидрогазодинамики и теплообмена.

Разработчики позиционируют Rocky DEM как программу, применимую в таких областях промышленности, как горное дело, металлургия, нефтехимия, станкостроение, транспорт, сельское хозяйство, медицина и бытовая техника.

Rocky DEM позволяет повысить энергоэффективность, увеличить срок службы, минимизировать износ и снизить шум от оборудования. Также он используется для обеспечения равномерности загрузки, минимизации зависания и пылевыделения из материалов.

Произвольные формы частиц

В Rocky DEM в качестве отслеживаемых частиц можно моделировать волокна, оболочки и твёрдые тела произвольной формы.

Каждая несферическая частица в Rocky DEM состоит из набора элементов, которые участвуют в моделировании. При расчёте столкновений частица-частица и частица-стенка учитывается форма частиц и место контакта.

Также для многих частиц доступны модели разрушения и растяжения/сжатия.

Моделируемые частицы в Rocky DEM

Калибровочные испытания материалов

При моделировании сыпучих сред методом дискретных элементов (DEM) необходимо точно знать свойства используемых материалов, такие как, например, коэффициенты трения и восстановления.

Rocky DEM и набор Calibration Suite позволяют быстро и точно откалибровать задаваемые свойства, путём проведения нескольких расчётов при различных комбинациях свойств материалов и сопоставления результатов с экспериментальными или табличными данными.

В Rocky DEM можно воспроизвести испытания в реометрах, сдвиговых ячейках, а также в различных устройствах для определения углов откоса материалов.
 

Воспроизведение испытаний на порошковом реометре (слева) и расчёт угла откоса материала (справа)

Модели разрушения частиц

В Rocky DEM существуют два метода моделирования процесса разрушения. Первый подход заключается в физическом моделировании процесса разлома, включая напряжения и распространение трещин внутри каждой частицы. Второй подход заключается в принятии определенных предположений и использовании эмпирических и вероятностных отношений для моделирования процесса мгновенного дробления частицы.

Уникальная способность Rocky моделировать выпуклые многогранные частицы произвольной формы позволяет ей сохранять как массу, так и объем в процессах разрушения, обеспечивая повышенную точность по сравнению с другими коммерческими кодами DEM.

Также при слишком большом количестве частиц и больших отрезках времени моделирования можно вместо расчёта разрушения частиц на осколки моделировать вероятность их разбиения за счёт накопленной кумулятивной энергии столкновений со стенками или другими частицами (Energy Spectra Method).
 

Моделирование мгновенного дробления (слева) и разлома частицы (справа)

Моделирование износа поверхности

Rocky DEM способен моделировать абразивный износ поверхностей. Применяемая модель Арчарда позволяет моделировать износ в ускоренном теме. Так, можно смоделировать лишь несколько минут работы оборудования и это будет подобно нескольким месяцам реальной работы оборудования. Возможно либо только раскрашивать поверхности по интенсивности износа, либо реально деформировать поверхности с течением времени.

Ускоренный износ лифтёров в шаровой мельнице

Связь с Ansys Workbench

Rocky DEM можно использовать как отдельную от платформы Ansys программу для чистых DEM расчётов, а также можно использовать в рамках расчетной среды ANSYS Workbench. Адаптивная архитектура позволяет пользователю выполнять параметризацию геометрии, создавать интерфейсы с модулями Mechanical или Fluent для прочностных и газодинамических расчётов, а также выполнять оптимизационные расчёты в связке с DesignXplorer.

Связь с Ansys Fluent

В случаях, когда на движение частиц сильно влияет поток, моделирования только лишь движения частиц методом DEM недостаточно. В таком случае требуется сопряжение с программой Ansys Fluent. Существует два типа сопряжения: одностороннее и двустороннее. В первом случае, когда объёмная доля частиц мала (менее 10%), частицы будут оказывать слабое влияние на поток, и поле потока можно посчитать всего один раз и на его основе моделировать движение частиц. Это одностороннее взаимодействие. Во втором случае, когда объёмная доля частиц выше 10%, требуется после каждого малого перемещения частиц пересчитывать поле потока. Это двустороннее взаимодействие.

Поток воздействует на частицу с помощью силы аэродинамического сопротивления. В Rocky DEM реализованы законы сопротивления, учитывающие несферичность частиц произвольной формы, а также ориентацию и несферичность продолговатых частиц.

Эрозионный износ трубопровода твёрдыми частицами, одностороннее сопряжение поток-частицы (слева); кипящий слой, двустороннее сопряжение поток-частицы (справа)
 

Связь с Ansys Mechanical

Можно передать нагрузки от сыпучих сред, рассчитанные в Rocky DEM, в ANSYS Mechanical для анализа прочностной надёжности, а также оценки статических, динамических, усталостных и гармонических характеристик оборудования.

Здесь также существует одностороннее и двустороннее сопряжение частицы-твёрдое тело. Если сила, действующая со стороны сыпучих материалов постоянна, то это одностороннее сопряжение. Потребуется всего один расчёт в Rocky DEM и Mechanical. Если же сила переменная (геометрия или среда движется), то потребуется двустороннее сопряжение с многократным пересчётом в обоих модулях.

Расчёт деформации контейнера при статическом нагружении, одностороннее сопряжение частицы-твёрдое тело (слева); расчёт нагрузок на ковшовое колесо, двустороннее сопряжение частицы-твёрдое тело (справа)

Производительность вычислений

Сложность вычислений в Rocky DEM зависит от количества частиц, числа вершин на каждой частице, а также от числа соударений.

В Rocky DEM возможны параллельные вычисления на CPU, либо на GPU, если требуется большой объём памяти. Отличительной особенностью Rocky DEM является возможность использования нескольких видеокарт одновременно.

Возможен двусторонний CFD—DEM расчёт, где Fluent использует ядра, а Rocky DEM – видеокарты.

На рисунке показано, во сколько раз ускоряется расчёт коммерческого аппарата для дражирования таблеток, в котром 242,000 частиц сложной формы, причём на каждой по 222 вершин

Ускорение расчёта Rocky DEM в зависимости от используемых расчётных мощностей

Кастомизация решателя и рабочего процесса

Подобно UDF во Fluent, в Rocky DEM существует Application Programming Interface (API), в котором можно программировать решатель на языке C++. Данная система работает как для CPU, так и для GPU для систем Windows и Linux.

Программирование решателя Rocky DEM на языке C++

Также в Rocky DEM есть средства для оптимизации всего рабочего процесса и более эффективной работы с пользовательским интерфейсом. Для этого используются скрипты на языке Python и встроенные макросы.

Окно для создания макросов (слева) и интерфейс Python (справа)

Продвинутая пост-обработка

В Rocky DEM реализована очень эффективная и удобная пост-обработка штатными средствами. Помимо стандартного раскрашивания частиц по основным величинам, возможно раскрасить грани каждой частицы по значению специальных величин, а также доступно отображение усредённой по объёму эйлеровой статистики.

Результаты расчёта всех временных шагов сохраняются в трёхмерном виде в рамках одного проекта. Таким образом, можно создавать анимации с различных ракурсов для различных величин без необходимости пересчёта решения.

Пост-обработка аппарата для дражирования таблеток на уровне всей системы и отдельных частиц

Эйлерова статистика в аппарате для дражирования таблеток

4 июля 2016

Компьютерное моделирование поведения сыпучих сред методом дискретных элементов (Discrete Element Method — DEM) в горно-металлургической, строительной, пищевой и фармацевтической промышленности стало доступным инструментом инженера в связи с развитием вычислительной техники за последнее десятилетие. Расчет технологических процессов при помощи метода DEM подразумевает моделирование большого количества частиц, часто от миллиона и более, что безусловно требует соответствующей производительности вычислительных ресурсов.

Программное обеспечение Rocky DEM от компании ESSS позволяет рассчитать поведение потока частиц различных форм и размеров при его движении по конвейерным линиям, на вибрационных грохотах, в мельницах, дробилках и других видах обрабатывающего и транспортного оборудования. Программный пакет Rocky DEM поддерживает распараллеливание вычислений в системах с общей памятью (Shared Memory Parallel, SMP) и использование графических процессоров (GPU) NVIDIA. Основные вычисления могут производится на GPU, в то время как управление и передача данных осуществляется при помощи центрального процессора (CPU).

ЗАДАЧА

Компания CADFEM CIS совместно с Forsite провели исследование увеличения производительности вычислительных алгоритмов программы Rocky DEM при переносе распараллеленного расчетного механизма с CPU на GPU. С целью анализа времени вычислений было проведено несколько сравнительных расчетов на тестовом стенде Intel Xeon E5-2667v3 3.2ГГц 8Cx2 (128 Гб оперативной памяти DDR4, SSD INTEL 240GB S3500 Series x2, Windows 8.1 Professional). Модель включала 1 миллион частиц, проходящих по конвейерной линии в течение 10 секунд. Набор частиц включал как сферические, так и полигональные формы со скруглением – с тремя, пятью и семью углами.

Наименование набора частиц	Номер частицы	Размер частицы, мм	Содержание, % (по массе)
Набор со сферическими частицами	1	22	100
Набор с несферическими частицами	1	22	30
2	25	35
3	30	30
4	35	5

РЕШЕНИЕ

Базовое время расчета задачи на CPU c 4-мя ядрами для набора сферических частиц составило примерно 1 час 40 минут и 8 часов 50 минут для набора с несферическими частицами. Максимальный прирост скорости счета составил 6,7 раз для набора сферических частиц и 10 раз для набора с несферическими частицами. В обоих случаях лучшие результаты были получены на профессиональной видеокарте NVIDIA Quadro M5000.

Результаты расчета для набора сферических частиц

Результаты расчета для набора с несферическими частицами

Эффективность GPU при разных постановках задачи

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

• Использование GPU хорошо подходит для проведения вычислений методом DEM: в задачах, в которых используется большое количество частиц.
• Вычислительные алгоритмы, заложенные в Rocky DEM получают значительный прирост производительности от GPU NVIDIA:
  • 7 – 10 раз по сравнению с 4-х ядерными рабочими станциями
  • 2 – 5 раз по сравнению в 16-ти ядерными серверами
• На текущий момент Rocky поддерживает вычисления на одном чипе GPU
• Следует обращать внимание на объем памяти GPU особенно для задач с несферическими частицами.

Потребляемые ресурсы	Использование оперативной памяти
Для набора сферических частиц	Для набора с несферическими частицами
CPU	4.0 Гб	8.0 Гб
CPU + GPU	2.1 Гб + 2.5 Гб	2.8 Гб + 4 Гб

Применяемая в ROCKY технология выполнения расчётов на ядрах графической карты (GPU) повышает скорость решения задач и обеспечивает экономию средств на аппаратное обеспечение

РЕКОМЕНДОВАННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ

Оптимальным решением является рабочая станция/сервер с мощным графическим процессором NVIDIA. Форм-фактор решателя определяет выбор GPU:

Серверы

• Всего 4 CPU с 6-8 ядрами каждый
• Общий объем памяти от 128 до 192 ГБ
• Жесткий диск с минимум 2 ТБ
• Профессиональная GPU типа Tesla K40

Рабочие станции

• Всего 2 CPU с 6-8 ядрами каждый
• Общий объем памяти 48 ГБ
• Минимальный объем твердотельной памяти 1 ТБ
• GPU:
  • QUADRO M5000 (вычисления)
  • Quadro K1200 (визуализация)

вернуться к списку новостей