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Step 13 非球形颗粒模块 - 计算设置

5. 颗粒组别属性​

5.1. 属性管理​

功能：管理不同属性组的力学参数

5.2. 基本力学参数​

5.2.1. 泊松系数​

参数含义：材料的横向变形能力，定义为横向应变与轴向应变的比值 取值范围：0.0～0.5 典型值：

  • 金属：0.25-0.35
  • 橡胶：约0.5
  • 本例：0.45（高弹性材料）

5.2.2. 颗粒间摩擦系数​

参数含义：颗粒-颗粒接触时的滑动摩擦系数 取值范围：0.0～1.0（通常） 典型值：

  • 光滑金属：0.1-0.2
  • 沙粒：0.5-0.7
  • 粗糙表面：>0.8

5.2.3. 壁面摩擦系数​

参数含义：颗粒-壁面接触时的滑动摩擦系数 设置建议：通常与颗粒间摩擦系数相似，但可根据壁面材料调整

5.2.4. 恢复系数​

参数含义：碰撞后与碰撞前相对速度的比值，表征碰撞的能量损失 取值范围：0.0～1.0

  • 0.0：完全塑性碰撞（无反弹）
  • 1.0：完全弹性碰撞（无能量损失）
  • 0.3：本例，表示70%的动能损失

5.2.5. 弹性模量​

参数含义：材料在弹性变形阶段的应力-应变比例系数 单位：帕斯卡（Pa） 典型值范围：

  • 橡胶：~10⁶ Pa
  • 塑料：~10⁹ Pa
  • 金属：~10¹¹ Pa 注：本例100000 Pa相对较小，对应较软材料

5.3. 相互作用模型​

暂未开放！

5.3.1. 范德华力​

5.4. 颗粒结构类型​

物理意义：

  • 实心结构：内部充满材料，计算整个颗粒/固体的体积分数场
  • 空心结构：具有壁厚的空心壳体，只计算壁面/固体附近的的体积分数场
  • 单层薄壳结构：暂未开放

5.5. 壁面穿透控制​

功能：控制颗粒与壁面的交互方式 使用：暂未开放

5.6. 耦合模式​

选择指南：

  • 全解析：高精度，计算量大（要求：颗粒尺寸大于网格尺寸的8倍）
  • 未解析：快速，精度有限（要求：颗粒尺寸小于网格尺寸的1/3）
  • 半解析：平衡选择（要求：颗粒尺寸与网格尺寸接近）

5.7. 颗粒顶点位移​

高级功能：从文件读取颗粒顶点的位移场，用于模拟随时间变形的颗粒 参考算例：FSI-11-Moving_vertex 定义格式：类似自定义运动，定义不同节点在不同时刻下的移动速度

6. 初始化设置​

6.1. 时间控制参数​

6.1.1. 初始时间步​

设置建议：初始化阶段的时间步长，非球形颗粒通常需要更小的时间步

6.1.2. 初始总步数​

功能：初始化阶段的计算步数

6.1.3. 初始输出间隔​

功能：初始化阶段的结果输出频率

6.2. 壁面管理​

功能：已定义的壁面列表，壁面为一个无限大的平面 使用注意：壁面列表分为初始化阶段所用壁面【初始化-壁面】和CFD-DEM耦合时所用壁面【壁面】

6.3. 壁面定义​

6.3.1. 壁面名称​

功能：壁面的标识名称

6.3.2. 壁面几何定义​

功能：定义无限平面的位置和方向，由壁面上一点与壁面法向确定

6.3.3. 壁面穿透控制​

功能：初始化阶段的壁面穿透设置 使用注意：颗粒和壁面同时设置为允许穿透，才是真正的壁面穿透

6.4. 时间步与输出控制​

时间步：表示运行一步CFD，需要运行几步DEM；例如20，则代表DEM时间步长是CFD时间步长的1/20。 输出控制：表示输出一次CFD的的结果，需要输出几次DEM的结果；例如20，则代表DEM输出时间间隔是CFD输出时间间隔的1/20。

7. 伺服墙设置​

7.1. 伺服墙初始化：时间控制参数​

与第6.1节相同，会在CFD-DEM耦合前，对颗粒进行伺服墙计算，使伺服墙围压靠近设定围压。

7.2. 壁面选择​

功能：可用的壁面列表，可添加新壁面，参考6.2节 壁面管理

7.2.1. 壁面名称​

功能：伺服墙的标识

7.2.2. 壁面几何​

示例：由壁面上一点与壁面法向确定

7.2.3. 壁面穿透控制​

功能：伺服墙的颗粒穿透控制

7.3. 伺服墙参数​

  • 施加作用压力：目前围压，单位为Pa。
  • 自定义作用压力：通过导入txt文件，定义不同时刻下的压力值，以生成随时间变化的围压。
  • 自定义壁面运动：通过导入txt文件，定义不同时刻下的壁面速度值，以生成随时间变化的围压。方式同移动边界的自定义运动设置方式。
  • 最大移动速度：伺服墙允许的最大移动速度，单位为m/s。
  • 移动系数：计算伺服墙移动速度所需要系数，其乘以目标围压与当前围压的插值，再乘以伺服墙面积，为伺服墙的移动速度。
  • 阻尼系数：考虑伺服墙移动速度的松弛效应，为0-1的数字，建议取0.5。
  • 删除面积：若伺服墙有局部的挖孔，可将孔的面积删除，得到更高精度的围压。
  • 四个点坐标：可视化伺服墙、计算伺服墙面积所需。四个点坐标需要满足：与伺服墙在同一个平面，且范围足够大，建议6个伺服墙相互交叉

8. 颗粒间约束设置​

  • 定义约束需要以下信息：初始时刻的约束的两个端点的坐标、两个端点所属的STL编号、约束的刚度、约束类型、约束的原长；
  • STL编号：如果该约束端点是一个固定点，不随STL运动，则为-1；
  • 约束的刚度：需要根据模型调整，刚度不宜过高，否则所需时间步长要更小；
  • 约束类型：弹簧/杆件（可受拉力和压力）、绳子（只受拉力）；
  • 原长：如果是通过初始时刻两个端点坐标计算原长，则输入-1，否则按真实原长输入即可。

9. 常见问题与解决方案​

9.1. 几何文件导入失败​

问题现象：

  • 文件无法读取
  • 几何显示异常
  • 计算崩溃

可能原因：

  1. 文件格式错误
  2. 未将STL文件防止算例文件夹下
  3. 几何存在错误（非流形、法向不一致）
  4. 面片数量过多导致内存不足

解决方案：

  1. 检查并转换文件格式
  2. 使用几何修复工具，例如blender软件
  3. 简化网格面片数

9.2. 计算不稳定（发散）​

问题现象：

  • 能量激增
  • 颗粒速度异常大
  • 计算崩溃

可能原因：

  1. 时间步过大
  2. 接触刚度设置不当
  3. 初始条件不合理，例如颗粒间、颗粒与壁面间有重叠
  4. 形状极端（如极薄片状）

解决方案：

  1. 减小时间步（每次降低50%）
  2. 调整接触参数
  3. 提供更合理的初始状态
  4. 对极端形状特殊处理（如进行加厚后再测试）

9.3. 接触检测不准确​

问题现象：

  • 颗粒异常穿透
  • 接触力计算异常
  • 能量不守恒

可能原因：

  1. 碰撞刚度过大（速度突变）或者过小（有重叠）
  2. 检测参数设置不当
  3. 形状表示精度不足，避免尖角的出现

解决方案： 1.调整接触刚度（每次降低或增加10倍） 2. 增大【求解器设置】的【哈希格尺寸（碰撞）】的值 3. 提高形状表示精度，使颗粒尽可能平滑

9.4. 计算速度过慢​

问题现象：

  • 每步计算时间过长
  • 无法完成仿真

可能原因：

  1. 颗粒数量过多
  2. 形状过于复杂（颗粒面片过多）
  3. 接触检测过多
  4. 时间步过小

解决方案：

  1. 减少颗粒数量或使用周期性边界
  2. 简化几何形状
  3. 降低【求解器设置】的【哈希格尺寸（碰撞）】
  4. 在稳定前提下增大时间步