JP2011081530A - Discrete element method analysis simulation method for particle model, discrete element method analysis simulation program and discrete element method analysis simulation device - Google Patents

Discrete element method analysis simulation method for particle model, discrete element method analysis simulation program and discrete element method analysis simulation device Download PDF

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幹夫 酒井
Sachinori Yamada
祥徳 山田
Tomomitsu Fujisawa
智光 藤澤
Shuichi Hirayama
修一 平山
Takeshi Nakajima
健 中島
Masao Tsuchiya
将夫 土屋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a discrete element method analysis simulation method, a discrete element method analysis simulation program and a discrete element method analysis simulation device, wherein a polygonal particle model introduced with rolling resistance, i.e., rotary motion of polygonal particles is introduced. <P>SOLUTION: This discrete element method analysis simulation method for analyzing behavior of a large number of analysis target particles includes: a step of imparting a physical property value to a virtual particle; a virtual particle arrangement step of arranging the virtual particles; and a behavior simulation step of simulating the behavior of the analysis target particles. The behavior simulation step includes a step of measuring a particle attitude angle between the analysis target particles and/or the virtual particles. In the behavior simulation step, about the analysis target particles and/or the virtual particles, the behavior of each particle is obtained by solving a motion equation formulated based on the rotary motion. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、粒子の転がり抵抗を導入した多角形型粒子の挙動の離散要素法解析シミュレーション方法、離散要素法解析シミュレーションプログラム、及び離散要素法解析シミュレーション装置に関する。   The present invention relates to a discrete element method analysis simulation method, a discrete element method analysis simulation program, and a discrete element method analysis simulation apparatus for the behavior of polygonal particles into which rolling resistance of particles is introduced.

粉体や粒体などの粒子を取り扱う分野では、粒子の挙動を把握することが重要な課題である。従来は、このような粒子の挙動を試行錯誤の実験により把握することが多かった。このような場合、現実に用いる粒子の組成や、実験装置や実験環境を用意しなければ、所望の粒子の挙動解析を行うことが出来ない。また、これらの仕様を変更するたびに、実験しなければならず、その都度時間やコストの面を考慮しなくてはならなかった。   In the field of handling particles such as powder and granules, it is important to understand the behavior of the particles. Conventionally, the behavior of such particles has often been grasped by trial and error experiments. In such a case, the behavior analysis of desired particles cannot be performed unless the composition of the particles actually used, the experimental apparatus, and the experimental environment are prepared. In addition, every time these specifications were changed, an experiment had to be performed, and time and cost had to be taken into consideration each time.

近年では、粒子の挙動解析を実験的にではなく、数式化若しくはモデル化し、ほぼ同じ法則に支配されるシステムの挙動をコンピュータ上で模擬すること、すなわちシミュレーションが広く利用されている。シミュレーション技術を利用することにより、粒子の挙動を予測することができる。また、粒子(粉体)を投入する条件やパラメータを変えて、同じシミュレーション計算を繰り返し行うことにより、様々な粒子組成や装置設計・制御体型の性能を評価することができる。   In recent years, it has been widely used to simulate particle behavior analysis on a computer by formulating or modeling particle behavior analysis rather than experimentally, and simulating the behavior of a system governed by almost the same law. By using a simulation technique, the behavior of particles can be predicted. Further, by repeatedly performing the same simulation calculation while changing the conditions and parameters for introducing particles (powder), it is possible to evaluate the performance of various particle compositions, device designs and control bodies.

数式化した場合の粉体の挙動解析シミュレーション手段として、粉体毎の挙動を解析する離散要素(若しくは個別要素)法(Discrete Elements Method、若しくはDistinct Elements Method)解析シミュレーション手法(以下本明細書ではDEMシミュレーションと表記する。)と、解析対象の粒子の形状をモデル化して挙動を解析する手法などが挙げられる。   As a means for simulating powder behavior analysis in the case of formulas, a discrete element method (Discrete Elements Method or Distinct Elements Method) analysis simulation method for analyzing the behavior of each powder (hereinafter referred to as DEM in this specification). And a method of analyzing the behavior by modeling the shape of the particle to be analyzed.

DEMシミュレーションの原理は、球状粒子に見立てた2つのボール間に作用する法線方向(図1(a)参照)、剪断方向(図1(b)参照)のボール間接触力について、図1に示すような、弾性的性質を表すバネ2,4と、非弾性的性質を表すダッシュポット3,5と、ボール1間の摩擦的性質を表すスライダ6(剪断方向)とで構成されるフォークトモデルによって説明される。前記フォークトモデルにより、円筒型の容器の壁とボールの接触、ボール同士の接触を判定し、接触している場合のボールと壁、またはボール同士との法線、剪断方向の接触力と摩擦力を図1(a)、図1(b)のフォークトモデルに基づいて演算し、バネ2,4の弾性係数はヘルツの弾性接触理論より求められ、ダッシュポット3,5の粘性減衰係数(法線方向)、摩擦係数(剪断方向)は実験により求められる。そして、その接触力に基づいて全ボールの加速度、速度、変位を各離散化時間で演算し、この演算を繰り返すことによって任意の時間のボール群全体の運動挙動がシミュレーションされる。   The principle of DEM simulation is that the contact force between balls in the normal direction (see FIG. 1 (a)) and the shearing direction (see FIG. 1 (b)) acting between two balls considered as spherical particles is shown in FIG. As shown, the forked model is composed of springs 2 and 4 representing elastic properties, dashpots 3 and 5 representing inelastic properties, and a slider 6 (shear direction) representing frictional properties between the balls 1. Explained by The forked model determines the contact between the wall of the cylindrical container and the ball, the contact between the balls, the normal between the ball and the wall or the balls when they are in contact, the contact force and the friction force in the shear direction. Is calculated based on the Forked model shown in FIGS. 1A and 1B, and the elastic coefficients of the springs 2 and 4 are obtained from Hertz's elastic contact theory, and the viscous damping coefficient (normal line) of the dashpots 3 and 5 is calculated. Direction) and coefficient of friction (shear direction) can be obtained by experiments. Based on the contact force, the acceleration, velocity, and displacement of all the balls are calculated at each discretization time, and by repeating this calculation, the motion behavior of the entire ball group at an arbitrary time is simulated.

上記DEMシミュレーションによれば、粒子と粒子との間の衝突判定が容易且つ、計算負荷を小さくできる。DEMシミュレーションを使用した粒子の挙動解析の例として、特開2006−259911号公報(特許文献1参照)に開示されているようなトナーに使用する粒子の挙動解析等が挙げられる。   According to the DEM simulation, collision determination between particles can be easily performed and the calculation load can be reduced. Examples of particle behavior analysis using DEM simulation include particle behavior analysis used for toner as disclosed in JP-A-2006-259911 (see Patent Document 1).

しかしながら、粒子の形状は現実的には球形ではないことが多く、球形を仮定すると、接触角度が精度良く形成されないこと、粉体の流動が実際よりも大きく見積もられてしまうといったことなどが課題である。また、特許文献1に記載の方法は、あくまで粒子を球形で仮定していること、粒子間の点若しくは面接触を考慮していないため、例えば金属粒子の最密充填(高濃度充填)には適していない。   However, the shape of the particles is often not a sphere in reality, and assuming a sphere, the problem is that the contact angle is not formed with high accuracy and the powder flow is estimated to be larger than the actual one. It is. Moreover, since the method described in Patent Document 1 assumes that the particles are spherical, and does not consider point or surface contact between the particles, for example, for the closest packing (high concentration packing) of metal particles Not suitable.

一方、従来のDEMシミュレーションによる粒子挙動解析の改善策として、例えばマツシマら(非特許文献1参照)が提案した非球形粒子に複数の球形粒子をつなぎ合わせたクラスターモデルとDEMシミュレーションをベースにした非球形粒子挙動解析方法がある。非特許文献1に記載の方法では、特許文献1のような従来のDEMシミュレーションに比べると、モデル粉体が実際の粉体により近い流動を見積もることが可能になったが、クラスターモデルを使用するため計算体系が小さくなる、即ち一領域あたりのモデル粉体の数が少なく見積もられるといったことが問題である。   On the other hand, as an improvement measure of particle behavior analysis by conventional DEM simulation, for example, a non-spherical particle proposed by Matsushima et al. (See Non-Patent Document 1) and a non-spherical particle model based on DEM simulation based on a cluster model. There is a spherical particle behavior analysis method. In the method described in Non-Patent Document 1, compared to the conventional DEM simulation as in Patent Document 1, it is possible to estimate the flow of the model powder closer to the actual powder, but the cluster model is used. Therefore, the problem is that the calculation system is small, that is, the number of model powders per region is estimated to be small.

近年では、DEMシミュレーションと、多角形型粒子モデルとを組み合わせたジョン−ポール レイサムら(John−Paul Latham, et al)の提案モデル(非特許文献2参照)がある。非特許文献2に記載の方法は、従来のDEMシミュレーションに比べ、粒子と壁面との接触(粒子姿勢)角度が精度良く形成されないといった問題は解消されたが、該シミュレーションで必要な運動方程式については球の回転運動を考慮しなくてはならないため、計算負荷がかかってしまうなどの問題点がある。   In recent years, there is a model proposed by John-Paul Latham, et al (see Non-Patent Document 2) that combines a DEM simulation and a polygonal particle model. The method described in Non-Patent Document 2 has solved the problem that the contact (particle orientation) angle between the particle and the wall surface is not accurately formed as compared with the conventional DEM simulation. Since the rotational motion of the sphere must be taken into account, there is a problem that a calculation load is applied.

特開2006−259911号公報JP 2006-259911 A

マツシマ他(T. Matsushima, et al), ジャーナル オブ エーロスペース エンジニアリング(Journal of Aerospace Engineering), 2009年, 15−23頁.Matsushima et al. (Journal of Aerospace Engineering, 2009, pp. 15-23. Journal of Aerospace Engineering, 2009). ジョン−ポール レイサム他(John−Paul Latham, et al), ミネラルズ エンジニアリング(Minerals Engineering), 21巻(2008), 797−805頁.John-Paul Latham et al., Minerals Engineering, 21 (2008), 797-805.

上記に述べた問題点に対して望まれる解決案は、計算上は球形粒子を使用して、粒子の転がり抵抗、即ち多角形型粒子の回転運動を導入することである。   The desired solution to the above-mentioned problem is to use spherical particles in the calculation to introduce the rolling resistance of the particles, ie the rotational movement of polygonal particles.

以上の事情を鑑み、本発明は、転がり抵抗を導入した多角形型粒子モデル、即ち多角形型粒子の回転運動を導入した多角形型粒子モデルの離散要素法解析シミュレーション方法、離散要素法解析シミュレーションプログラム、及び離散要素法解析シミュレーション装置を提供する。   In view of the above circumstances, the present invention provides a polygonal particle model that introduces rolling resistance, that is, a discrete element method analysis simulation method and a discrete element method analysis simulation of a polygonal particle model that introduces rotational motion of polygonal particles. A program and a discrete element method analysis simulation apparatus are provided.

本発明の上記目的は、多数の解析対象粒子の挙動を解析する離散要素法解析シミュレーション方法であって、仮想粒子に物性値を与えるステップと、前記仮想粒子を配置する仮想粒子配置ステップと、前記解析対象粒子の挙動をシミュレーションする挙動シミュレーションステップとを具備し、前記挙動シミュレーションステップは、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップを具備し、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子について、並進運動を基に立てた運動方程式を解いて個々の粒子の挙動を求めることを特徴とすることにより効果的に達成される。   The object of the present invention is a discrete element method analysis simulation method for analyzing the behavior of a large number of analysis target particles, the step of giving physical properties to virtual particles, the virtual particle arrangement step of arranging the virtual particles, A behavior simulation step of simulating the behavior of the analysis target particle, and the behavior simulation step includes a step of measuring a particle posture angle between the analysis target particle and / or the virtual particle, and the analysis target particle and / or Alternatively, for virtual particles, this is effectively achieved by determining the behavior of individual particles by solving a motion equation based on translational motion.

更に、前記仮想粒子に与える物性値は、ヤング率、粘性減衰係数、摩擦係数のうち少なくとも1つであることにより、或いは前記解析対象粒子が多角形型粒子であることにより、或いは前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップにおいて、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度が0のときに、前記粒子同士が面接触と判定されることにより、或いは前記粒子同士が面接触と判定されるときは、回転運動を基に運動方程式を立て、粒子姿勢角度の情報に基づき回転モーメント及び角加速度の計算に、粒子同士の接触面を考慮して回転角度を求め、個々の粒子の挙動を求めることにより、或いは前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップにおいて、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度が測定されるときに、前記粒子同士が点接触と判定されることにより、或いは前記粒子同士が点接触と判定されるときは、回転運動を基に運動方程式を立て、粒子姿勢角度の情報に基づき回転モーメント及び角加速度の計算に、粒子同士の接触点及び接触力を考慮して回転角度を求め、個々の粒子の挙動を求めることにより、より効果的に達成される。   Further, the physical property value given to the virtual particle is at least one of Young's modulus, viscous damping coefficient, and friction coefficient, or the analysis target particle is a polygonal particle, or the analysis target particle And / or in the step of measuring the particle posture angle between the virtual particles, when the particle posture angle between the analysis target particle and / or the virtual particle is 0, the particles are determined to be in surface contact, or When it is determined that the particles are in surface contact with each other, an equation of motion is established based on the rotational motion, and the rotational angle is calculated in consideration of the contact surface between the particles in the calculation of the rotational moment and angular acceleration based on the information on the particle attitude angle. And determining the behavior of individual particles, or measuring the particle orientation angle between the analysis target particles and / or virtual particles, When the particle posture angle between the child and / or virtual particles is measured, when the particles are determined to be in point contact, or when the particles are determined to be in point contact, based on rotational motion More effective by establishing equation of motion, calculating rotation moment and angular acceleration based on information on particle attitude angle, calculating rotation angle considering particle contact point and contact force, and determining individual particle behavior Is achieved.

また、本発明は、前記離散要素法解析シミュレーション方法を実行するための離散要素法解析シミュレーションプログラム、或いは前記離散要素法解析シミュレーションプログラムを記録した記録媒体により、或いは前記記録媒体を搭載した離散要素法解析シミュレーション装置であって、前記装置は、仮想粒子に物性値を与える手段と、前記仮想粒子を配置する仮想粒子配置手段と、前記解析対象粒子の挙動をシミュレーションする挙動シミュレーション手段とを具備し、前記挙動シミュレーション手段は、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定する手段を具備することを特徴とすることにより、効果的に達成される。   The present invention also provides a discrete element method analysis simulation program for executing the discrete element method analysis simulation method, a recording medium on which the discrete element method analysis simulation program is recorded, or a discrete element method equipped with the recording medium. An analysis simulation apparatus, comprising: means for giving a physical property value to virtual particles; virtual particle arrangement means for arranging the virtual particles; and behavior simulation means for simulating the behavior of the analysis target particles; The behavior simulation means is effectively achieved by comprising means for measuring a particle posture angle between the analysis target particles and / or virtual particles.

本発明の離散要素法解析シミュレーション方法は、粒子姿勢角度を測定することで粒子間の面若しくは点接触を判定することが容易であり、精度良く粉体の流動を模擬することができる。   The discrete element method analysis simulation method of the present invention can easily determine the surface or point contact between particles by measuring the particle attitude angle, and can accurately simulate the flow of powder.

また、従来のDEMシミュレーションと同程度の計算負荷で粉体の挙動をシミュレートすることが可能である。   Further, it is possible to simulate the behavior of the powder with a calculation load comparable to that of the conventional DEM simulation.

従来技術におけるDEMシミュレーションを力学的に模したフォークトモデルである。This is a forked model that dynamically simulates a DEM simulation in the prior art. 本発明の粒子挙動解析を行う前の前処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the pre-processing before performing the particle behavior analysis of this invention. 本発明における、DEMシミュレーション方法のフローチャートである。It is a flowchart of the DEM simulation method in this invention. 本発明の実施形態における、多角形(正六角形)型仮想粒子の概略図である。It is the schematic of the polygon (regular hexagon) type | mold virtual particle in embodiment of this invention.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図2は、本発明における粒子挙動解析を行う前の前処理の流れを示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart showing the flow of pre-processing before performing particle behavior analysis in the present invention.

先ず、挙動解析を行う前に、本発明に必要なシミュレーション用粒子、即ち仮想粒子に物性値を与える(ステップS1)。具体的には、バネ定数、粘性減衰係数、摩擦係数を仮想粒子に与えるようにする。バネ定数については、線形バネと非線形バネがある。非線形バネの場合、ヤング率などを入力する。   First, before conducting behavioral analysis, a physical property value is given to a simulation particle necessary for the present invention, that is, a virtual particle (step S1). Specifically, a spring constant, a viscous damping coefficient, and a friction coefficient are given to the virtual particles. Regarding the spring constant, there are a linear spring and a non-linear spring. For non-linear springs, enter Young's modulus.

次に、仮想粒子を生成するための処理を行う(ステップS2)。処理手順は、従来のDEMシミュレーションと同様に、仮想粒子を配置する範囲などを入力し、仮想粒子平均径や仮想粒子平均間隔を設定する。   Next, a process for generating virtual particles is performed (step S2). As in the conventional DEM simulation, the processing procedure inputs a range in which virtual particles are arranged, and sets a virtual particle average diameter and a virtual particle average interval.

次いで、仮想粒子数を設定(ステップS3)し、各仮想粒子の直径の設定、各仮想粒子を配置する座標位置の設定、並びに各仮想粒子の直径及び座標位置を出力(ステップS4)し、前処理を終了する。   Next, the number of virtual particles is set (step S3), the setting of the diameter of each virtual particle, the setting of the coordinate position where each virtual particle is arranged, and the diameter and coordinate position of each virtual particle are output (step S4). The process ends.

図3は、本発明における粒子挙動解析の処理手順をフローチャートの形式で示している。また、図4には本発明の実施形態における、2次元体系の多角形(正六角形)型仮想粒子の概略図を示す。なお、図4において、正六角形型仮想粒子を示したが、実際に本発明のシミュレーション方法を使用する際は、特に粒子の形状は限定されない。   FIG. 3 shows a processing procedure of particle behavior analysis in the present invention in the form of a flowchart. FIG. 4 shows a schematic diagram of a two-dimensional polygonal (regular hexagonal) type virtual particle in the embodiment of the present invention. In FIG. 4, regular hexagonal virtual particles are shown. However, when the simulation method of the present invention is actually used, the shape of the particles is not particularly limited.

まず、解析対象となる各粒子に初期条件を与えて、初期化する(ステップS11)。ここで言う初期条件とは、前述の仮想粒子の処理で予め計算した物性値等のことである。次に、粒子同士の接触(衝突)を判定する(ステップS12)。ここで、前記判定は、球形粒子を仮定して行う(図4のパターンA及びBの「計算」参照)。   First, initial conditions are given to each particle to be analyzed, and initialization is performed (step S11). The initial condition referred to here is a physical property value or the like calculated in advance in the above-described virtual particle processing. Next, the contact (collision) between particles is determined (step S12). Here, the determination is performed assuming spherical particles (see “calculation” in patterns A and B in FIG. 4).

ここで言う粒子には、解析対象粒子と、図4で表す仮想粒子の双方を含む。なお、前記解析対象粒子及び仮想粒子は、金属、薬剤、トナーなど、粉体ならば特に制限無くシミュレーション可能である。   The particles referred to here include both analysis target particles and virtual particles shown in FIG. The analysis target particles and the virtual particles can be simulated without particular limitation if they are powders such as metals, drugs, and toners.

次に、粒子同士の接触が検出(判定)された場合には、更に粒子姿勢角度を測定すること(ステップS13)により、粒子姿勢角度θ(θについては図4参照)が0の場合は、面接触(ステップS131)と判定され、θが観測される場合は点接触(ステップS132)と判定される。回転運動の計算にあたり、面接触の場合と、点接触の場合とで、回転モーメントの計算の仕方を変更する。   Next, when contact between particles is detected (determined), by further measuring the particle posture angle (step S13), when the particle posture angle θ (see FIG. 4 for θ) is 0, It is determined as surface contact (step S131), and when θ is observed, it is determined as point contact (step S132). In calculating the rotational motion, the method of calculating the rotational moment is changed between the case of surface contact and the case of point contact.

ここで言う粒子姿勢角度θとは、図4に示すように、粒子を平面に見立てた場合、正六角形ABCDEFと、正六角形A´B´C´D´E´F´において、辺ABと辺A´B´とが重なる場合(図4パターンA「想定」参照)をθ=0、即ち面接触と定義され、辺A´B´に点Aが接触(図4パターンB「想定」参照)した場合を角度BAB´=θとして角度が測定され、点接触と定義される角度のことをいう。   As shown in FIG. 4, the particle orientation angle θ here refers to the side AB and the side in the regular hexagon ABCDEF and the regular hexagon A′B′C′D′E′F ′ when the particle is regarded as a plane. The case where A′B ′ overlaps (see pattern A “assumed” in FIG. 4) is defined as θ = 0, that is, surface contact, and point A contacts side A′B ′ (see pattern B “assumed” in FIG. 4). In this case, the angle is measured with the angle BAB ′ = θ and is defined as a point contact.

ステップS13、ステップS131及びステップS132で粒子姿勢角度を測定した後、粒子間の距離を計算し(ステップS14)、接触による弾性反発力や粘性力などの作用力を計算する(ステップS15)。さらに回転運動を計算し、粒子の角速度および粒子姿勢角度を計算する。そして、接触粒子における計算が終了するまで(ステップS16)、これらの計算処理(ステップS13〜S15)を繰り返し行う。   After measuring the particle posture angle in step S13, step S131, and step S132, the distance between the particles is calculated (step S14), and the acting force such as the elastic repulsion force or the viscous force due to the contact is calculated (step S15). Furthermore, the rotational motion is calculated, and the angular velocity and the particle attitude angle of the particle are calculated. These calculation processes (steps S13 to S15) are repeated until the calculation for the contact particles is completed (step S16).

なお、ステップS12にて接触が判定されない場合は、後述するステップS17に進む。   If contact is not determined in step S12, the process proceeds to step S17 described later.

次いで、粒子に作用する外力の計算を行う(ステップS17)。ここで言う外力には、重力、ファンデルワールス力などが挙げられる。   Next, the external force acting on the particles is calculated (step S17). The external force mentioned here includes gravity, van der Waals force, and the like.

そして、すべての粒子について、ステップS13〜S17の処理を繰り返し実行する(ステップS18)。   And the process of step S13-S17 is repeatedly performed about all the particles (step S18).

次いで、解析対象である各粒子についての運動方程式を立てて、それぞれの加速度、速度、並びに変位の計算を行う(ステップS19)。なお、本発明で用いる運動方程式は下記の通りである(下記数1参照)。   Next, an equation of motion is established for each particle to be analyzed, and the respective acceleration, velocity, and displacement are calculated (step S19). The equation of motion used in the present invention is as follows (see the following formula 1).

Figure 2011081530
上記数1にて、並進運動は、ニュートンの第二法則より、式(A)のように表される。ここで、式(A)におけるF及びFは、接触力及び重力である。
Figure 2011081530
In the above equation 1, the translational motion is expressed as in equation (A) by Newton's second law. Here, F C and F g in the formula (A) are contact force and gravity.

次に、接触力Fについてはそれぞれ、法線方向成分FCn及び接線方向成分FCtについて、上記数1の式(1)及び(2)のように表される。式(1)及び(2)において、k、δ、η、v、r及びωは、それぞれ、バネ定数、変位、粘性減衰係数、速度、粒子半径及び角速度である。添字のn及びtは、法線方向成分及び接線方向成分を意味する。 Next, the contact force F C is expressed by the equations (1) and (2) of the above formula 1 for the normal direction component F Cn and the tangential direction component F Ct , respectively. In equations (1) and (2), k, δ, η, v, r, and ω are a spring constant, displacement, viscous damping coefficient, velocity, particle radius, and angular velocity, respectively. The subscripts n and t mean a normal direction component and a tangential direction component.

一方、上記数1にて、回転運動は、上記数1の式(3)のように表される。ここで、Iは慣性モーメントであり、r及びFCtは、上述のように式(1)及び式(2)で定義したものである。 On the other hand, in the above equation 1, the rotational motion is expressed as the equation (3) in the above equation 1. Here, I is the moment of inertia, and r and F Ct are defined by the equations (1) and (2) as described above.

ステップS19の運動方程式を解くにあたって、粒子同士が面接触と判定された場合(ステップS131)は、面接触を考慮して回転運動を計算する。回転運動は、面接触を考慮して式(3)を用いて計算する。面接触において角加速度を計算するにあたり、接触している面とそれに作用する接触力を考慮する。   When solving the equation of motion in step S19, if the particles are determined to be in surface contact (step S131), the rotational motion is calculated in consideration of the surface contact. The rotational motion is calculated using Equation (3) in consideration of surface contact. In calculating the angular acceleration in surface contact, the contacted surface and the contact force acting on it are considered.

ステップS19の運動方程式を解くにあたって、粒子同士が点接触と判定された場合(ステップS132)は、該点接触において角加速度を計算する場合、接触点および接触力を考慮する。さらに、回転運動の計算において、粒子姿勢角度を考慮する。これは、たとえば、2体粒子の点接触の場合、接触頂点が粒子の重心を結ぶ直線上にない場合、回転することを意味する。球形を仮定した場合これができない。   In solving the equation of motion in step S19, when it is determined that the particles are in point contact (step S132), the contact point and the contact force are considered when calculating the angular acceleration in the point contact. Furthermore, the particle attitude angle is taken into account in the calculation of the rotational motion. This means that, for example, in the case of point contact of two particles, if the contact vertex is not on a straight line connecting the center of gravity of the particle, it rotates. This cannot be done assuming a spherical shape.

そして、時間ステップが終了するまで、ステップS12〜S19の処理を繰り返し実行する(ステップS20)。   Then, the processes in steps S12 to S19 are repeatedly executed until the time step ends (step S20).

本実施形態によれば、解析対象粒子に現実の諸物理特性値を与えるとともに、仮想粒子にも諸物理特性値を与えているので、ステップS19において運動方程式を計算して粒子間の機械的相互作用を求める際には、粒子同士の受ける効果を再現することができ、解析対象粒子の挙動を高精度に解析することができる。   According to the present embodiment, since various physical property values are given to the analysis target particle and various physical property values are also given to the virtual particle, the equation of motion is calculated in step S19 and the mechanical interaction between the particles is calculated. When obtaining the action, the effect received by the particles can be reproduced, and the behavior of the particles to be analyzed can be analyzed with high accuracy.

本実施形態では、2次元体系の正六角形型粒子の挙動解析について記載したが、この形態に限られるものではなく、粒子姿勢角度さえ特定できれば、転がり抵抗の小さい粒子、即ち正十二角形などの多角形型粒子のシミュレーションも可能である。また、3次元体系モデルへの応用も可能である。   In the present embodiment, the behavioral analysis of a regular hexagonal particle having a two-dimensional system has been described. However, the present invention is not limited to this configuration. If the particle posture angle can be specified, a particle having a small rolling resistance, that is, a regular dodecagon, etc. Simulation of polygonal particles is also possible. Application to a three-dimensional system model is also possible.

本発明に係る離散要素法解析シミュレーション方法を実行させるためのプログラム(以下「離散要素法解析シミュレーションプログラム」と記す)は、任意の装置外部の記録媒体(CD−ROMやフラッシュメモリなど)、又は装置内部の記録媒体(ハードディスクやメモリなど)に格納されており、当該装置により読み出されて実行される。ここで言う装置は、パーソナルコンピュータなど、前記離散要素法解析シミュレーションプログラムの実行制御が可能な情報処理装置であれば良く、ハードウェア構成は汎用的なものを適用できる。なお、本発明に係る離散要素法解析シミュレーションプログラム、前記プログラムを記録するための記録媒体及び装置は種類や数に限定されるものではない。また、前記プログラムの搭載(格納)については装置の形態によって適宜変更可能である。   The program for executing the discrete element method analysis simulation method according to the present invention (hereinafter referred to as “discrete element method analysis simulation program”) is an arbitrary recording medium (CD-ROM, flash memory, etc.) external to the device, or the device. It is stored in an internal recording medium (such as a hard disk or memory), and is read and executed by the device. The apparatus here may be an information processing apparatus capable of controlling the execution of the discrete element method analysis simulation program, such as a personal computer, and a general-purpose hardware configuration can be applied. The discrete element method analysis simulation program according to the present invention and the recording medium and apparatus for recording the program are not limited to the types and numbers. The loading (storage) of the program can be changed as appropriate according to the form of the apparatus.

また、前記装置は、仮想粒子に物性値を与える手段と、前記仮想粒子を配置する仮想粒子配置手段と、前記解析対象粒子の挙動をシミュレーションする挙動シミュレーション手段とを具備し、前記挙動シミュレーション手段は、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定する手段を具備するが、前記離散要素法解析シミュレーションプログラムを記録した記録媒体の搭載方法は適宜変更可能である。   In addition, the apparatus includes means for giving a physical property value to virtual particles, virtual particle placement means for placing the virtual particles, and behavior simulation means for simulating the behavior of the analysis target particles, Although means for measuring a particle posture angle between the analysis target particles and / or virtual particles is provided, the mounting method of the recording medium in which the discrete element method analysis simulation program is recorded can be appropriately changed.

本発明のシミュレーション方法を使用することにより、金属粒子の最密充填、トナー粒子、製薬分野などで取り扱われる粉体の挙動解析が期待される。   By using the simulation method of the present invention, it is expected to analyze the behavior of powders handled in the closest packing of metal particles, toner particles, pharmaceuticals and the like.

1 ボール
2 法線方向バネ
3 法線方向ダッシュポット
4 剪断方向バネ
5 剪断方向ダッシュポット
6 スライダ
1 Ball 2 Normal Spring 3 Normal Dash Pot 4 Shear Spring 5 Shear Dash Pot 6 Slider

Claims (10)

多数の解析対象粒子の挙動を解析する離散要素法解析シミュレーション方法であって、
仮想粒子に物性値を与えるステップと、
前記仮想粒子を配置する仮想粒子配置ステップと、
前記解析対象粒子の挙動をシミュレーションする挙動シミュレーションステップとを具備し、
前記挙動シミュレーションステップは、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップを具備し、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子について、回転運動を基に立てた運動方程式を解いて個々の粒子の挙動を求めることを特徴とする離散要素法解析シミュレーション方法。
A discrete element method analysis simulation method for analyzing the behavior of a large number of particles to be analyzed,
Giving physical properties to virtual particles;
A virtual particle placement step of placing the virtual particles;
A behavior simulation step of simulating the behavior of the analysis target particle,
The behavior simulation step includes a step of measuring a particle posture angle between the analysis target particle and / or the virtual particle, and solves a motion equation based on a rotational motion for the analysis target particle and / or the virtual particle. A discrete element method analysis simulation method characterized in that the behavior of individual particles is obtained.
前記仮想粒子に与える物性値は、バネ定数、粘性減衰係数、摩擦係数のうち少なくとも1つである請求項1に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   The discrete element method analysis simulation method according to claim 1, wherein the physical property value given to the virtual particles is at least one of a spring constant, a viscous damping coefficient, and a friction coefficient. 前記解析対象粒子が多角形型粒子である請求項1又は2に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   The discrete element method analysis simulation method according to claim 1, wherein the analysis target particle is a polygonal particle. 前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップにおいて、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度が0のときに、前記粒子同士が面接触と判定される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   In the step of measuring the particle posture angle between the analysis target particles and / or virtual particles, when the particle posture angle between the analysis target particles and / or virtual particles is 0, the particles are determined to be in surface contact. The discrete element method analysis simulation method according to any one of claims 1 to 3. 前記粒子同士が面接触と判定されるときは、回転運動を基に運動方程式を立て、粒子姿勢角度の情報に基づき回転モーメント及び角加速度の計算に、粒子同士の接触面を考慮して回転角度を求め、個々の粒子の挙動を求める請求項4に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   When it is determined that the particles are in surface contact with each other, an equation of motion is established based on the rotational motion, and the rotational angle is calculated in consideration of the contact surface between the particles in the calculation of the rotational moment and angular acceleration based on the information on the particle attitude angle. The discrete element method analysis simulation method according to claim 4, wherein the behavior of each particle is obtained. 前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定するステップにおいて、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度が測定されるときに、前記粒子同士が点接触と判定される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   In the step of measuring the particle posture angle between the analysis target particle and / or virtual particle, when the particle posture angle between the analysis target particle and / or virtual particle is measured, the particles are determined to be in point contact. The discrete element method analysis simulation method according to any one of claims 1 to 3. 前記粒子同士が点接触と判定されるときは、回転運動を基に運動方程式を立て、粒子姿勢角度の情報に基づき回転モーメント及び角加速度の計算に、粒子同士の接触点及び接触力を考慮して回転角度を求め、個々の粒子の挙動を求める請求項6に記載の離散要素法解析シミュレーション方法。   When it is determined that the particles are in point contact with each other, an equation of motion is established based on the rotational motion, and the contact point and the contact force between the particles are considered in the calculation of the rotational moment and the angular acceleration based on the information on the particle attitude angle. 7. The discrete element method analysis simulation method according to claim 6, wherein the rotation angle is obtained to obtain the behavior of each particle. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の離散要素法解析シミュレーション方法を実行するための離散要素法解析シミュレーションプログラム。   A discrete element method analysis simulation program for executing the discrete element method analysis simulation method according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載の離散要素法解析シミュレーションプログラムを記録した記録媒体。   A recording medium on which the discrete element method analysis simulation program according to claim 8 is recorded. 請求項9に記載の記録媒体を搭載した離散要素法解析シミュレーション装置であって、前記装置は、仮想粒子に物性値を与える手段と、前記仮想粒子を配置する仮想粒子配置手段と、前記解析対象粒子の挙動をシミュレーションする挙動シミュレーション手段とを具備し、前記挙動シミュレーション手段は、前記解析対象粒子及び/又は仮想粒子間の粒子姿勢角度を測定する手段を具備することを特徴とする離散要素法解析シミュレーション装置。   A discrete element method analysis simulation apparatus equipped with the recording medium according to claim 9, wherein the apparatus provides a physical property value to a virtual particle, a virtual particle arrangement unit that arranges the virtual particle, and the analysis target A behavioral simulation means for simulating the behavior of particles, and the behavioral simulation means comprises means for measuring a particle posture angle between the analysis target particles and / or virtual particles. Simulation device.
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