JP2013023698A - Method for analyzing particle behavior - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calculation method and a method for analyzing particle behavior that achieve high-speed calculation without decreasing accuracy in calculation of behavior of a great number of particles in a large-scale facilities.SOLUTION: In order to simplify calculation related to a collision process between particles in the analysis of particle behavior of a multiparticle system, a velocity of one particle is replaced with a predictive velocity at the time of tin the relative velocity between two particles, which provides viscous force at the time of tin the normal direction of the contact surface between the collided two particles. The viscous force in the normal direction acting on a particle 1 is assumed to be the force, η×(V-E), proportional to the difference between the predictive value Eof the velocity in the normal direction Vat the time of tand the velocity in the normal direction Vat the time of tof the other particle 2, and the viscous force in the normal direction acting on the particle 2 is represented by the force, η×(V-E), proportional to the difference between the predictive value Eof the velocity in the normal direction of the particle 2 at the time of tand the velocity in the normal direction Vat the time of t.

Description

本発明は,離散要素法を用いた粒子挙動の計算方法に関するもの及びその製鉄分野への応用に関するものである。   The present invention relates to a particle behavior calculation method using a discrete element method and its application to the steelmaking field.

焼結原料は,図7の焼結原料分級設備概要に示すように,シャトルコンベアからサージホッパーに投入され,ドラムフィーダから切り出され,フルイの上を通って落下させることで下部のパレット上に積載される。パレット上の積載層の底部には大きな粒径の焼結原料が,上部には小さな粒径の焼結原料が分布するようにこれらの装置配置は設計される。しかしながら、分級された焼結材料は必ずしも前述のような粒度分布で配置されない。そのような場合、焼結原料を払い出すにつれ、原料の集合体であったものが不定形に崩れやすく、効率的な原料の払い出しに支障をきたしたり、焼結原料が拡散し、割れたりして発塵源となったりして、深刻な生産効率の低下や環境への影響が懸念される場合があった。   As shown in the outline of the sintering material classification equipment in Fig. 7, the sintering material is loaded into the surge hopper from the shuttle conveyor, cut out from the drum feeder, and dropped onto the lower pallet by dropping it over the fluid. Is done. The arrangement of these devices is designed so that a sintered material having a large particle size is distributed at the bottom of the loading layer on the pallet and a sintered material having a small particle size is distributed at the top. However, the classified sintered material is not necessarily arranged with the particle size distribution as described above. In such a case, as the sintered raw material is dispensed, the aggregate of the raw materials tends to collapse into an indeterminate shape, which hinders efficient raw material dispensing, or the sintered raw material diffuses and cracks. In some cases, there was concern about a serious decline in production efficiency and environmental impact.

また、シャトルコンベア,サージホッパー,ドラムフィーダ,フルイ等の要素からなり、焼結原料を分布させることを目的とした焼結原料装入装置を設計するにあたり、経験や試行錯誤で各機械要素の配置を決める場合も多かった。そのような装置の最適設計を行うに当たり、計算機を用いたシミュレーションを用いて精度の良い計算機実験を行うことは有効である。このようなシミュレーションにおける粒子群の挙動解析には、非特許文献1に示される離散要素法がよく用いられる。離散要素法とは、粒子群を構成する個々の粒子を要素とし、要素の集合体に対して個々の要素が運動方程式を満足することを条件として、集合体の動力学的挙動を数値解析する手法である。刻み時間をΔtとし、運動方程式を差分方程式として数値計算を行う。   In addition, when designing a sintering material charging device that consists of elements such as shuttle conveyors, surge hoppers, drum feeders, and sieves, and for the purpose of distributing the sintering materials, the arrangement of each machine element through experience and trial and error There were many cases to decide. In performing the optimum design of such an apparatus, it is effective to perform a computer experiment with high accuracy using a simulation using a computer. The discrete element method shown in Non-Patent Document 1 is often used for behavior analysis of particle groups in such a simulation. In the discrete element method, individual particles constituting a particle group are used as elements, and the dynamic behavior of the aggregate is numerically analyzed on the condition that each element satisfies the equation of motion with respect to the aggregate of elements. It is a technique. The numerical calculation is performed with the step time as Δt and the equation of motion as the difference equation.

離散要素法においては、多数の粒子の挙動を解析する。粒子は、外場がなければ、衝突と等速度運動を繰り返して運動する。重力や電場等の外場があればそのような運動にさらに外場の力による運動が加わる。そこでは、多くの粒子の衝突は、二つの粒子の衝突が基本である。正確な結果を得るためには、粒子が衝突してから離れるまでの衝突過程は、細かく計算して精度を上げる必要があり、運動の計算のための刻み時間Δtを細かくとる必要がある。   In the discrete element method, the behavior of many particles is analyzed. If there is no external field, the particles move repeatedly with collision and constant velocity. If there is an external field such as gravity or an electric field, the movement by the force of the external field is added to such movement. There, the collision of many particles is basically the collision of two particles. In order to obtain an accurate result, the collision process from the collision of the particles to the separation needs to be calculated finely to improve the accuracy, and the step time Δt for calculating the movement needs to be fine.

離散要素法においては、衝突している二つの粒子の取り扱いの概要は、次のようである。以下、時刻指標pを導入する。pは整数であり、時間がΔt進行するとpの値が1増加する。時刻指標pにおける時刻をtpで表す。同様に、時刻指標pにおける特定の物理量(例えばV)をVpと表す。 In the discrete element method, the outline of handling two colliding particles is as follows. Hereinafter, the time index p is introduced. p is an integer, and the value of p increases by 1 as time advances by Δt. The time at the time index p represented by t p. Similarly, a specific physical quantity (for example, V) at the time index p is represented as V p .

時刻tpにおいて衝突している2個の粒子を粒子1及び粒子2であるとする。各々の粒子は、衝突している場合、粒子はお互いにめり込んでいると考える。そのときのめり込み量をδpとする。その様子は図1に示されている。めり込みによって形成される接触面の法線方向の力とその面内(接線)方向の成分に分けて、各々の粒子が受ける力を求める。どちらの方向の力も、図2に示されるように、バネ定数kのバネと粘性係数ηのダッシュポットの並列結合による力で表している。例えば、粒子1が受ける接触面法線方向の力は、めり込み量に比例するバネによる反発力と、衝突している二つの粒子の相対速度に比例する粘性力の和で表す。時刻tpにおける粒子1及び粒子2の法線方向速度を各々V1 p、V2 pであるとすれば、粒子1が、時刻tpにおいて衝突によって受ける法線方向の力F1 pは、次のように表される。
1 p=−k×δp+η×(V2 p−V1 p
上式右辺第一項がバネによる反発力、第二項がダッシュポットによる粘性力である。重力などの外場があればそのような項が加わることになる。同様に、粒子2の受ける力は、上式における添え字1を添え字2に変えることによって表される。
Assume that two particles colliding at time t p are particle 1 and particle 2. When each particle collides, it is considered that the particles are sunk into each other. Let the amount of sinking at that time be δ p . This is illustrated in FIG. The force received by each particle is determined by dividing the force in the normal direction of the contact surface formed by the indentation and the component in the in-plane (tangential) direction. As shown in FIG. 2, the force in either direction is represented by a force due to the parallel connection of a spring having a spring constant k and a dashpot having a viscosity coefficient η. For example, the force in the normal direction of the contact surface that the particle 1 receives is represented by the sum of the repulsive force by the spring proportional to the amount of penetration and the viscous force proportional to the relative velocity of the two colliding particles. If a time t p, respectively V 1 direction normal velocity of particles 1 and particle 2 in p, V 2 p, the particle 1, the normal force F 1 p experienced by the collision at time t p is It is expressed as follows.
F 1 p = −k × δ p + η × (V 2 p −V 1 p )
The first term on the right side of the above formula is the repulsive force due to the spring, and the second term is the viscous force due to the dashpot. If there is an external field such as gravity, such a term will be added. Similarly, the force received by the particle 2 is expressed by changing the subscript 1 to the subscript 2 in the above equation.

法線方向の運動は、ニュートンの運動方程式に上式の力を代入して求める。計算は、刻み時間Δtで離散的に計算が進められる。従って、粒子1の法線方向の運動、即ち、速度と位置の時間変化は、次に示す離散的運動方程式を解くことで得られる。
1(V1 p+1−V1 p)/Δt=F1 p
1 p+1=x1 p+V1 pΔt
ここで、m1は粒子1の質量、x1 pは時刻tpにおける粒子1の中心の位置の接触面法線方向成分である。粒子2についても同様に求め、このようにして、刻み時間Δtごとに速度と位置が変化する。二つの粒子の中心間距離が各々の半径の和であるr1+r2より大きくなった時点で衝突過程は終了し、等速運動あるいは、外場中の自由運動に移行することになる。
Normal motion is obtained by substituting the force of the above equation into Newton's equation of motion. The calculation is performed discretely with a step time Δt. Accordingly, the motion of the particle 1 in the normal direction, that is, the temporal change in velocity and position can be obtained by solving the following discrete motion equation.
m 1 (V 1 p + 1 −V 1 p ) / Δt = F 1 p
x 1 p + 1 = x 1 p + V 1 p Δt
Here, m 1 is the mass of the particle 1, and x 1 p is a contact surface normal direction component at the center position of the particle 1 at time t p . The particle 2 is obtained in the same manner, and in this way, the speed and position change at every step time Δt. When the distance between the centers of the two particles becomes larger than r 1 + r 2 which is the sum of the respective radii, the collision process ends, and the movement proceeds to a constant velocity motion or a free motion in the external field.

接触面面内方向(接線方向)の力も、同様なモデルで表され、その運動も同様に求められる。このほか、粒子の回転運動も加味されて、総合的な粒子運動として解析される。   The force in the in-plane direction (tangential direction) of the contact surface is also expressed by a similar model, and its motion is obtained in the same manner. In addition, the rotational motion of the particles is taken into account and analyzed as a comprehensive particle motion.

このようにして精度よく粒子群の挙動が解析される。粒子が複数個の粒子と衝突している場合も、上記のような二個の粒子の衝突に分けて扱い、その合力を求めて運動方程式を解けばよい。更に、前記弾性係数k、及び粘性係数ηについては、精度よく効率的に計算できるような表示式が非特許文献2及び非特許文献3等において開示されている。   In this way, the behavior of the particle group is analyzed with high accuracy. Even when a particle collides with a plurality of particles, the collision may be divided into two particles as described above, and the resultant force may be obtained to solve the equation of motion. Further, for the elastic coefficient k and the viscosity coefficient η, non-patent document 2 and non-patent document 3 disclose display formulas that can be calculated accurately and efficiently.

また、特許文献1においては、高炉への原料装入装置用の旋回シュートを離散要素法を用いて設計することを開示している。   Moreover, in patent document 1, it discloses that the turning chute | shoot for the raw material charging apparatus to a blast furnace is designed using a discrete element method.

しかしながら、流動する粉粒体の巨視的挙動を離散要素法を用いて明らかにしようとすると、多数の粒子について、上記のような衝突過程を追跡する必要があり、すべての運動の計算を終了するまでに膨大な時間がかかるという問題がある。計算時間を短くするために、刻み時間Δtを大きくして粗い時間スケールにして計算ステップ数を少なくすることは、効果的な計算時間短縮の方策の一つとして挙げられる。しかしながら、その場合、粒子が自由運動している場合は大きな問題はないが、粒子同士が衝突する際の運動解析については、上に示したように、細かい時間刻みで衝突過程を追跡しないと、大きな誤差が生じてしまうことが分かった。即ち、刻み時間Δtを大きくすると、その衝突過程の計算で非常に大きい誤差が出てしまい、計算精度が大きく低下してしまうのである。   However, when trying to clarify the macroscopic behavior of flowing powder using the discrete element method, it is necessary to track the collision process as described above for a large number of particles, and the calculation of all motions is completed. There is a problem that it takes an enormous amount of time. In order to shorten the calculation time, increasing the step time Δt to reduce the number of calculation steps to a rough time scale is one effective measure for reducing the calculation time. However, in that case, there is no big problem when the particles are moving freely, but for the motion analysis when the particles collide, as shown above, unless the collision process is traced in fine steps, It turns out that a big error will arise. That is, if the step time Δt is increased, a very large error is generated in the calculation of the collision process, and the calculation accuracy is greatly reduced.

計算時間を短くするための技術の開示は、いくつか行われている。特許文献2においては、離散要素法を用いてコンベアベルトにより搬送される石炭や鉱石などの運搬物の挙動を解析しているが、時間短縮を図るため、ベルト搬送面等搬送物の挙動に直接的に影響する部分だけを記述して解析している。また、特許文献3においては、計算対象とする空間領域を分割し、分割領域内の代表粒子について計算を行うことを開示している。更に、特許文献4においては、複写機に用いられるトナーの挙動解析の例が開示されているが、移動量の大きい粒子については高精度の計算の対象とし、移動量の小さい粒子については低精度の計算の対象とするとしている。ここで、低精度の計算方法として、粒子間の接触判定を省略したり、計算間隔を長くとることで計算量を減らすことを開示している。   There have been some disclosures of techniques for reducing the calculation time. In Patent Document 2, the behavior of a transported material such as coal or ore conveyed by a conveyor belt is analyzed using the discrete element method. However, in order to shorten the time, the behavior of the transported material such as a belt transport surface is directly measured. Only the part that influences is described and analyzed. Patent Document 3 discloses that a space area to be calculated is divided and calculation is performed on representative particles in the divided area. Further, Patent Document 4 discloses an example of behavior analysis of toner used in a copying machine, but particles with a large amount of movement are subject to high-precision calculations, and particles with a small amount of movement are low-precision. It is supposed to be the target of calculation. Here, as a low-accuracy calculation method, it is disclosed that the determination of contact between particles is omitted or the calculation amount is reduced by increasing the calculation interval.

即ち、従来の技術では、解析対象となる粒子の位置や移動量を判定し、精度の異なる計算を適用することが必要となるため、煩雑な判定が必要となったり、低精度の計算の対象となった粒子の誤差が大きくなってしまい正しく粒子の挙動を解析できなくなる懸念があった。   In other words, in the conventional technique, it is necessary to determine the position and amount of movement of the particle to be analyzed, and to apply calculations with different accuracy. There was a concern that the error of the particles became large and the behavior of the particles could not be analyzed correctly.

このような懸念を回避する方策として、精度を保ったまま、計算量を減らすことのできる計算方法が求められている。   As a measure for avoiding such a concern, a calculation method capable of reducing the amount of calculation while maintaining accuracy is required.

特開2007−262453号公報JP 2007-262453 A 特開2001−139116号公報JP 2001-139116 A 特開2007−286514号公報JP 2007-286514 A 特開2010−79493号公報JP 2010-79493 A

木山英郎,藤村尚,土木学会論文報告集,第333号 137−146 (1983)Hideo Kiyama, Takashi Fujimura, Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers, No. 333, 137-146 (1983) S.P.Timoshenko and J.N.Goodier, Theory of Elasticity, p409, McGraw-Hill p409(1970)S.P.Timoshenko and J.N.Goodier, Theory of Elasticity, p409, McGraw-Hill p409 (1970) 粉体工学会編,粉体シミュレーション入門,産業図書(株)p33(1998)Edited by Powder Engineering Society, Introduction to Powder Simulation, Sangyo Tosho Co., Ltd. p33 (1998)

本発明は、大規模な設備における多数の粒子の挙動を計算するに際して、精度を落とすことなく、計算を高速化する計算方法及び、そのような計算方法を用いることで短時間での粒子の挙動の解析が可能となる粒子挙動解析方法を提供することを目的とするものである。   The present invention relates to a calculation method for speeding up the calculation without reducing accuracy when calculating the behavior of a large number of particles in a large-scale facility, and the behavior of particles in a short time by using such a calculation method. It is an object of the present invention to provide a particle behavior analysis method capable of analyzing the above.

本発明者らは、本発明が対象とする多粒子系の粒子挙動解析の場合、粒子間の接触あるいは衝突が非常に多く、このような衝突過程に関する計算を省略できれば計算負荷を低下できると考えた。精度を保ったまま、時間刻みを大きくして衝突過程を省略できる計算方法について調査研究を行った。その結果、衝突した二粒子間の接触面法線方向の、時刻tpにおける粘性力を与える、二粒子間の相対速度において、一方の粒子の速度を時刻tp+1の予測速度に置き換えることにより、目的が達成されることが分かった。 In the case of the particle behavior analysis of the multiparticulate system targeted by the present invention, the present inventors consider that contact or collision between particles is very large, and the calculation load can be reduced if calculations regarding such a collision process can be omitted. It was. While maintaining accuracy, we investigated the calculation method that can omit the collision process by increasing the time step. As a result, the velocity of one particle is replaced with the predicted velocity at time t p + 1 in the relative velocity between the two particles giving the viscous force at time t p in the normal direction of the contact surface between the collided two particles. It was found that the purpose was achieved.

本発明の要旨は、以下の通りである。
(1)粒子の運動の計算における任意の二つの粒子が衝突してから離れるまでの運動を計算する方法であって、時刻tpにおいて衝突している二粒子の接触面法線方向(以下、「法線方向」という。)に働く力を、弾性係数がkであり、時刻tpにおける粒子のめり込み量δpに比例する弾性反発力
−k×δp
と、粘性係数がηの粘性抵抗力の和で表し、
一方の粒子1の、時刻tpより刻み時間Δtだけ進んだ時刻tp+1における法線方向速度V1 p+1の予測値E1 p+1及び他方の粒子2の時刻tpにおける法線方向速度V2 pとの差に比例する力
η×(V2 p−E1 p+1
を、粒子1に働く法線方向粘性力とし、さらに、他方の粒子2に働く法線方向粘性力を、同様に時刻tp+1における粒子2の法線方向速度の予測値E2 p+1と時刻tpにおける法線方向速度V1 pとの差に比例する力
η×(V1 p−E2 p+1
で表すことを特徴とする、二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
ここで、時刻指標pは整数であり、時間がΔt進行するとpの値が1増加する。また、右上添え字pは、時刻指標pにおける当該物理指標を意味する。
(2)粒子1の質量をm1及び、粒子2の質量をm2として、時刻tp+1における、粒子1の予測法線方向速度E1 p+1及び粒子2の予測法線方向速度E2 p+1をそれぞれ
及び
で表すことを特徴とする、前記(1)記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
(3)時刻tpにおいて、粒子1及び粒子2が衝突から受ける法線方向の力F1 p及びF2 p
及び
で表すことを特徴とする、前記(1)又は(2)に記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
(4)多粒子系粒子の挙動を解析するための粒子挙動解析方法であって、個々の粒子の運動を運動方程式を用いて離散要素法で計算し、任意の2個の粒子が衝突してから離れるまでの運動の計算について上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いることを特徴とする粒子挙動解析方法。
(5)シャトルコンベヤからサージホッパーに投入され,ドラムフィーダから切り出され,フルイの上を通って落下した焼結原料の粒子配置分布を求めるにあたり,上記(4)に記載の粒子挙動解析方法を用いることを特徴とする、焼結原料の粒子配置分布解析方法。
The gist of the present invention is as follows.
(1) A method for calculating the motion from the collision of any two particles to the separation in the calculation of the particle motion, wherein the normal direction of the contact surface of the two particles colliding at time t p (hereinafter, The force acting on the “normal direction”) is an elastic repulsive force −k × δ p whose elastic coefficient is k and proportional to the amount δ p of the particles at time t p .
And expressed as the sum of viscous drag forces with viscosity coefficient η,
Of one of the particles 1, the time t p than just time step Δt advanced time t p + direction normal velocity V 1 p + 1 in the first prediction value E 1 p + 1 and law at the time t p of the other particles 2 Force proportional to the difference from linear velocity V 2 p η × (V 2 p −E 1 p + 1 )
Is the normal direction viscous force acting on the particle 1, and the normal direction viscous force acting on the other particle 2 is also the predicted value E 2 p + of the normal direction velocity of the particle 2 at time t p + 1 . force eta × proportional to the difference between the normal direction velocity V 1 p at 1 and the time t p (V 1 p -E 2 p + 1)
The calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particles collide characterized by expressing by.
Here, the time index p is an integer, and the value of p increases by 1 when the time advances by Δt. The upper right subscript p means the physical index in the time index p.
(2) Predicted normal direction velocity E 1 p + 1 of particle 1 and predicted normal direction velocity of particle 2 at time t p + 1 , where the mass of particle 1 is m 1 and the mass of particle 2 is m 2 E 2 p + 1 respectively
as well as
The method for calculating the motion in the normal direction from the collision of the two particles to the separation, as described in (1) above.
(3) At the time t p , normal forces F 1 p and F 2 p received by the particles 1 and 2 from the collision are obtained.
as well as
The calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particle | grains as described in said (1) or (2) collide, characterized by these.
(4) A particle behavior analysis method for analyzing the behavior of multiparticulate particles, wherein the motion of each particle is calculated by the discrete element method using the equation of motion, and any two particles collide with each other. A particle behavior analysis characterized by using the method of calculating the motion in the normal direction until the two particles collide after they collide with each other for the calculation of the motion until they move away from each other (1) to (3) Method.
(5) The particle behavior analysis method described in (4) above is used to obtain the particle distribution of the sintered raw material that has been put into the surge hopper from the shuttle conveyor, cut out from the drum feeder, and dropped over the sieve. A method for analyzing the distribution of particles in a sintered material.

粒子が衝突している図である。It is a figure in which particles collide. 衝突している粒子に働く法線方向の力を説明する図である。It is a figure explaining the force of the normal direction which acts on the particle | grains which are colliding. 粒子の衝突過程の図である。It is a figure of the collision process of particle | grains. 粒子の衝突過程の図である。It is a figure of the collision process of particle | grains. 粒子の衝突過程の図である。It is a figure of the collision process of particle | grains. 複数粒子の運動を計算するフローチャートである。It is a flowchart which calculates the motion of multiple particles. 焼結原料分級設備概要の図である。It is a figure of a sintering raw material classification equipment outline. 粒子挙動計算を説明する図である。It is a figure explaining particle behavior calculation.

[第一の実施形態]
(粒子の衝突の判定とめりこみ量)
対象とする粒子の形状は特に限定しないが、ここでは球である場合を例にとって説明する。半径r1の球である粒子1と、半径r2の粒子2の二つの粒子が接触しているかどうかの判定は、種々の方法があるが、例えば粒子1の中心と粒子2の中心の距離がr1+r2以下であれば接触していると判定してもよい。粒子が球でなければ、粒子の重心をその中心とし、平均半径をその半径としてもよい。
[First embodiment]
(Determination of particle collision and amount of retraction)
The shape of the target particle is not particularly limited, but here, a case where it is a sphere will be described as an example. Particle 1 is a sphere of radius r 1, of determining whether the two particles of a particle 2 of radius r 2 are in contact, there are various methods, the distance for example of particles 1 center and particles 2 center If it is r 1 + r 2 or less, it may be determined that the contact is made. If the particle is not a sphere, the center of gravity of the particle may be the center and the average radius may be the radius.

めり込み量は、前記r1+r2と接触している二つの粒子の中心間距離の差によって求められる。計算に用いる場合は、そのようにして得られた差を更に、前記r1+r2で除した値を用いる場合もある。 The amount of penetration is determined by the difference in the center-to-center distance between the two particles that are in contact with r 1 + r 2 . When used for calculation, a value obtained by further dividing the difference thus obtained by the above-mentioned r 1 + r 2 may be used.

粒子1と粒子2相互間のめり込み量をδとし、二つの粒子の中心の、その中心を結ぶ線上で計った位置をx1、x2とすれば、二つの粒子の中心距離は、|x1−x2|と表される。これらは、時間的に変化する。各々の量の時刻tpにおける値であることを右肩添え字pで示せば、時刻tpにおけるめり込み量δpは次のように表すことができる。めり込みの例は図1に示されている。
δp={(r1+r2)−|x1 p−x2 p|}/(r1+r2) [数式1]
If the amount of penetration between particle 1 and particle 2 is δ and the positions of the centers of the two particles measured on the line connecting the centers are x 1 and x 2 , the center distance between the two particles is | x 1 −x 2 | These change over time. If the right shoulder subscript p indicates that each amount is a value at time t p, the amount δ p of indentation at time t p can be expressed as follows. An example of indentation is shown in FIG.
δ p = {(r 1 + r 2 ) − | x 1 p −x 2 p |} / (r 1 + r 2 ) [Formula 1]

ある時点で二つの粒子の接触判定を行った場合、接触と判定されたものについて、二つの粒子の中心距離は各々の半径の和よりもかなり小さく、即ち大きいめりこみ量である場合が多い。このようなめり込みが大きい場合、反発力も大きく、時間刻みを細かくとらないと、大きな反発力によって粒子が急速に反発してしまい、計算が不安定になってしまう場合がある。   When contact determination of two particles is performed at a certain time, the center distance between the two particles is much smaller than the sum of the radii of the particles determined to be in contact, that is, the amount of retraction is often large. When such dents are large, the repulsive force is also large, and unless the time step is taken finely, the particles are repelled rapidly by the large repulsive force, and the calculation may become unstable.

(接触面法線方向に働く力)
接触した二つの粒子が離れるまでの衝突過程は、その接触面に対する法線方向に働く力(以下、接触法線力という。)が大きな影響を与える。即ち、該接触面から該法線に沿って大きく後退すれば衝突過程は早く終了する。従って、該法線方向に働く力を調整することで衝突過程を省略できるのである。また、ここで時間の推移は、刻み時間Δtずつ推移するものとする。即ち、時刻tpにおいて、時刻指標p=0からpΔtだけ時間が経過している。
(Force acting in the normal direction of the contact surface)
The force acting in the normal direction to the contact surface (hereinafter referred to as contact normal force) has a great influence on the collision process until the two particles in contact with each other are separated. In other words, the collision process ends quickly if the contact surface is largely retracted along the normal line. Therefore, the collision process can be omitted by adjusting the force acting in the normal direction. Here, the transition of the time is assumed to change by the increment time Δt. That is, at time t p , time has elapsed from time index p = 0 by pΔt.

非特許文献1においては、時刻tpにおいて接触している二つの粒子に、その接触面の法線方向に働く力としては、粒子1に着目した場合、(1)めり込み量に比例する反発力−kδp 、および、(2)二つの粒子の相対速度に比例する粘性力、η(V2 p−V1 p)の和として与えられる。ここで右肩の添え字pは時刻指標を表す。δpは時刻tpにおける粒子1及び2のめり込み量である。また、V1 pおよびV2 pは各々、時刻tpにおける粒子1および2の前記接触面法線方向速度である。また、kおよびηは各々比例係数である。これらは図2に示すように、バネ定数kのバネと粘性係数ηのダッシュポットが並列につながったモデルで表される。即ち、非特許文献1にあるように、先行技術においては、粒子1に働く前記接触法線力F1 p
1 p=−kδp+η(V2 p−V1 p) [数式2]
と表される。また、粒子2に働く該法線力は、[数式2]の下添え字の1と2を入れ替えればよい。
In Non-Patent Document 1, as the force acting on the two particles in contact at time t p in the normal direction of the contact surface, when focusing on the particle 1, (1) repulsive force proportional to the amount of penetration -Keideruta p, and is given as the sum of (2) viscous force is proportional to the relative velocity of the two particles, η (V 2 p -V 1 p). Here, the subscript p on the right shoulder represents a time index. δ p is the amount of penetration of particles 1 and 2 at time t p . V 1 p and V 2 p are the contact surface normal direction velocities of the particles 1 and 2 at time t p , respectively. K and η are proportional coefficients. As shown in FIG. 2, these are represented by a model in which a spring having a spring constant k and a dashpot having a viscosity coefficient η are connected in parallel. That is, as described in Non-Patent Document 1, in the prior art, the contact normal force F 1 p acting on the particle 1 is F 1 p = −kδ p + η (V 2 p −V 1 p ) [Formula 2]
It is expressed. Further, the normal force acting on the particle 2 may be obtained by replacing the subscripts 1 and 2 in [Formula 2].

時間刻みΔtを大きくすると、時刻tpで接触判定されても、粒子はすぐに離れ、衝突過程を省略し、計算が高速化できるが、上記[数式2]の反発力の項が大きくなり、後述するように粒子の速度が大きくなりすぎたりして、計算が不安定となったり、誤差が大きくなったりしてしまう。従って、先行技術においては、Δtを細かくとって衝突過程を細かい時間間隔で追跡して計算する必要があった。本発明者等は、上記(2)の粘性力の表式に着目した。そこで、粒子1の時刻tpにおける該法線方向速度V1 pを、粒子1の時刻tp+1における速度、即ちV1 p+1で置き換えたのである。ここで、時刻tp+1とは、時刻tpから刻み時間Δtだけ進んだ時刻である。しかしながら、時刻tpの時点で、時刻tp+1における正確な速度を把握することは困難なので、V1 p+1は時刻tp+1における予測値E1 p+1で表す。即ち、本発明においては、粒子1に働く接触法線力F1 pは、前記[数式2]のV1 pをE1 p+1で置き換え、
1 p=−kδp+η(V2 p−E1 p+1) [数式3]
と表される。粒子2に働く接触法線力F2 pは、[数式3]の下添え字の1と2を入れ替えればよい。即ち
2 p=−kδp+η(V1 p−E2 p+1) [数式4]
と表す。
If the time step Δt is increased, even if contact determination is made at time t p , the particles are immediately separated, the collision process can be omitted, and the calculation can be speeded up. However, the repulsive force term of the above [Equation 2] becomes large, As will be described later, the speed of the particles becomes too high, and the calculation becomes unstable or the error becomes large. Therefore, in the prior art, it is necessary to calculate Δt finely and track the collision process at fine time intervals. The inventors paid attention to the expression of the viscous force in (2) above. Therefore, the normal line direction velocity V 1 p at the time t p of the particle 1 is the replaced velocity at time t p + 1 of the particle 1, that is, V 1 p + 1. Here, the time t p + 1 is a time advanced from the time t p by the increment time Δt. However, at time t p, since it is difficult to grasp the precise rate at time t p + 1, V 1 p + 1 is represented by a predicted value E 1 p + 1 at time t p + 1. That is, in the present invention, the contact normal force F 1 p acting on the particle 1 replaces V 1 p in the above [Equation 2] with E 1 p + 1 ,
F 1 p = -kδ p + η (V 2 p -E 1 p + 1) [ Equation 3]
It is expressed. For the contact normal force F 2 p acting on the particle 2, the subscripts 1 and 2 in [Formula 3] may be interchanged. That is, F 2 p = −kδ p + η (V 1 p −E 2 p + 1 ) [Formula 4]
It expresses.

予測法線方向速度の算出方法はいくつかある。例えば、本発明になる算出方法によれば、時間刻みΔtを粗くしても、時刻tpにおいて衝突していても、時刻tp+1においては粒子は離れている場合が多く、かつ反発力も大きすぎず、精度を保ったまま計算量が減少し、[数式2]を用いた先行技術の場合と比較して計算時間が1/4以下になることが分かった。ここで、注意すべきなのは、粒子2に働く法線方向粘性力は、通常なら粒子1に働く粘性力の反力となるために同じ大きさで反対方向の力となり、それぞれ、作用、反作用の関係にあり、その和はゼロとなることである。本発明においては、[数式4]となり、これは、[数式3]と比較して必ずしも同じ大きさとはならない。従って、接触している2粒子において、これら、法線方向の粘性力の和はゼロではなく、有限な値を持った残留力となり、作用、反作用の関係が満たされず、厳密にいえば物理的に正しい描像を与えない。しかし、そのために生じる誤差は、無視できるほど小さいことが分かった。更に、多数の粒子の衝突を考えた場合、このような残留力は、ランダムな方向と大きさとなり、結果的にその総和はさらに小さくなり、精度に対する影響はほとんどないことが分かったのである。 There are several methods for calculating the predicted normal direction velocity. For example, according to the calculation method according to the present invention, even if coarser increment Δt time, even if the collision at time t p, at time t p + 1 particles often are separated, and even repulsive force It was found that the calculation amount was reduced while maintaining accuracy without being too large, and the calculation time was ¼ or less compared to the case of the prior art using [Formula 2]. Here, it should be noted that the normal-direction viscous force acting on the particle 2 is usually the reaction force of the viscous force acting on the particle 1 and is therefore a force of the same magnitude and in the opposite direction. There is a relationship, and the sum is zero. In the present invention, [Formula 4] is obtained, which is not necessarily the same size as [Formula 3]. Therefore, in the two particles that are in contact, the sum of the viscous forces in the normal direction is not zero, but the residual force has a finite value, and the relationship between action and reaction is not satisfied. Does not give a correct picture. However, it has been found that the error caused by that is negligibly small. Furthermore, when considering the collision of a large number of particles, it has been found that such a residual force has a random direction and magnitude, and as a result, the sum is further reduced and has little influence on accuracy.

(予測法線方向速度)
粒子1の予測法線速度E1 p+1を、粒子1が衝突している粒子2のみから受ける力で運動した場合の時刻tp+1における粒子1の法線方向速度と考える。従って、次の離散的な運動方程式から求められる。
1(E1 p+1−V1 p)/Δt=F1 p [数式5]
(Predicted normal direction velocity)
The predicted normal velocity E 1 p + 1 of the particle 1 is considered as the normal velocity of the particle 1 at time t p + 1 when the particle 1 moves with the force received only from the particle 2 with which the particle 1 collides. Therefore, it is obtained from the following discrete equation of motion.
m 1 (E 1 p + 1 −V 1 p ) / Δt = F 1 p [Formula 5]

上式のF1 pに[数式3]を代入し、整理すれば、
が得られる。
Substituting [Formula 3] into F 1 p in the above formula and organizing it,
Is obtained.

[数式6]を[数式3]に再度代入すれば、時刻tpにおいて粒子1が粒子2より受ける法線方向力は、
となる。同様に、粒子2について予測法線速度E2 p+1 及び法線方向力F2 pは以下の[数式8]、[数式9]のように表される。
By substituting [Formula 6] into [Formula 3] again, the normal direction force that the particle 1 receives from the particle 2 at time t p is:
It becomes. Similarly, the predicted normal velocity E 2 p + 1 and the normal direction force F 2 p for the particle 2 are expressed by the following [Equation 8] and [Equation 9].

以上より、予測法線方向速度E1 p+1及びE2 p+1が時刻tpの量で示され、法線方向力も時刻tpにおける値で示されたため、効率良いプログラム作成が可能となり、更に、前述のように精度を保ったまま、計算時間が短縮できるのである。 Thus, the prediction direction normal speed E 1 p + 1 and E 2 p + 1 is indicated by an amount of time t p, because it was shown by the normal direction force value be at time t p, efficient program creation can and will Furthermore, as described above, the calculation time can be shortened while maintaining the accuracy.

(接触判定された粒子の接触後の衝突運動の計算の省略)
時刻tpで二つの粒子が接触しているとした場合のその後の衝突過程の進展の概念図を図3〜図5に示す。従来技術である[数式2]で法線方向力を表した場合、時間刻みΔtを細かくとり、図3に示すように、粒子が離れるまでの衝突過程を細かく計算する必要がある。例えば、同じ法線方向力のままΔtを数倍に取った場合の衝突過程は、図4に示すように、接触後の粒子は次のステップで大きくめり込み、その次のステップでは反発力のために各々高速度で反発してしまい、計算が不安定になり、誤差が大きくなってしまう。次に、大きい時間刻みΔtのままで[数式3]の本発明を用いると、図5に示すように、接触してから次のステップである程度めり込むが、その後、穏やかに離れ、精度を保ったまま衝突過程の計算を省略できる。これは、[数式3]を用いた場合、めり込み量が大きくなり、反発力がかなり大きくなっても、逆方向に働く粘性力も大きくなり、ほどよくバランスされるからである。即ち、[数式3]を用いれば、精度を保ったまま時間刻みを大きくとって衝突過程を省略し、計算速度を短くできるのである。
(Omission of calculation of collision motion after contact of particles judged to be in contact)
A conceptual diagram of the progress of the subsequent collision process when two particles are in contact at time t p is shown in FIGS. When the normal force is expressed by [Formula 2], which is the prior art, it is necessary to finely calculate the collision process until the particles are separated as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 4, in the collision process when Δt is multiplied several times with the same normal direction force, the particles after contact are greatly sunk in the next step, and the next step is a repulsive force. Each rebounds at a high speed, making the calculation unstable and increasing the error. Next, when the present invention of [Equation 3] is used with the large time increment Δt, as shown in FIG. 5, the contact is depressed to some extent in the next step as shown in FIG. The calculation of the collision process can be omitted. This is because, when [Equation 3] is used, the amount of penetration increases, and even if the repulsive force increases considerably, the viscous force acting in the reverse direction also increases and is balanced moderately. That is, if [Equation 3] is used, it is possible to shorten the calculation speed by taking a large time step while maintaining accuracy and omitting the collision process.

以上の計算ステップの大幅な省略のため、本発明になる計算方法を用いる場合、時間刻みΔtは、従来技術の場合の時間刻みの4倍〜10倍とっても、計算結果の精度はほとんど変わらないことが分かった。即ち、従来技術による計算の精度と同一の精度のまま計算時間が1/4〜1/10になることが分かった。   Because of the significant omission of the above calculation steps, when using the calculation method according to the present invention, the accuracy of the calculation results hardly change even if the time increment Δt is 4 to 10 times the time increment in the case of the prior art. I understood. That is, it has been found that the calculation time is ¼ to 1/10 with the same accuracy as that of the calculation according to the prior art.

(接触粒子の運動)
多数の粒子からなる粒子群においては、一つの粒子が同時に複数の粒子と衝突している場合が多い。その場合も、各々の二粒子の衝突について、前記の法線方向力をもとめその合力が粒子に働くと考える。
(Motion of contact particles)
In a particle group composed of a large number of particles, one particle often collides with a plurality of particles at the same time. Even in this case, for each collision of two particles, the normal force is obtained and the resultant force is considered to act on the particles.

例えば、ある着目粒子iを固定し、他の対向粒子jについて粒子iと衝突しているかどうか判定する。衝突していると判定されたものについては、各々の接触面について法線方向力を[数式7]及び[数式9]において表される二粒子間の法線方向力を求める。これを繰り返し行い、粒子iについてすべての衝突粒子を求めたら、別の粒子に着目して同様な探索を行い、全ての粒子について衝突粒子と、各衝突における法線方向力を求め、これらの和を求める。但し、各々の衝突において接触面法線は異なる方向を向いているからベクトル的な和を求める必要がある。例えば着目粒子iにN個の対向粒子jが衝突しているとすれば、各々のiとjの衝突に対して異なる方向の法線速度を考え、前記[数式3]〜[数式9]を適用すればよい。即ち、着目粒子iの、各対向粒子jとの各接触面法線方向の粒子iの時刻tp+1での予測速度Eji p+1は、[数式6]と同様に考えればよく、
となる。ここで、δij pは時刻tpにおける粒子i,jの衝突によるめり込み量、Vij pは時刻tpにおける粒子jの、粒子i、jの接触面法線方向の速度成分である。Vji pは、同様に時刻tpにおける粒子iの前記接触面法線方向の速度成分である。
For example, a certain target particle i is fixed, and it is determined whether another opposing particle j collides with the particle i. For those determined to collide, the normal direction force between the two particles represented by [Equation 7] and [Equation 9] is obtained for each contact surface. When this operation is repeated and all collision particles are obtained for the particle i, a similar search is performed focusing on other particles, and the collision particles and the normal force in each collision are obtained for all particles, and the sum of these is obtained. Ask for. However, since the contact surface normal is directed in a different direction in each collision, it is necessary to obtain a vector-like sum. For example, if N counter particles j collide with the target particle i, the normal velocities in different directions are considered for each collision of i and j, and the above [Equation 3] to [Equation 9] are Apply. That is, the predicted speed E ji p + 1 at the time t p + 1 of the particle i in the normal direction of each contact surface with the opposing particle j of the target particle i may be considered in the same manner as in [Equation 6]
It becomes. Here, [delta] ij p is weight sinking due to the collision of the particles i, j at time t p, V ij p is the particle j at time t p, the velocity component of the contact surface normal to the direction of the particles i, j. Similarly, V ji p is a velocity component in the normal direction of the contact surface of the particle i at time t p .

従って、時刻tpにおいて粒子iと粒子jとの衝突から粒子iが受ける法線方向の力Fji pは、[数式7]と同様に考えて次のように表される。
Therefore, the force F ji p in the normal direction that the particle i receives from the collision between the particle i and the particle j at the time t p is expressed as follows in the same manner as in [Equation 7].

この力は、前記のように、時刻tpにおける粒子iと粒子jの接触面に対する法線方向の量であり、そのような法線方向の単位ベクトルをeji pであらわせば、上記[数式11]の力の方向を示すベクトルとなる。 As described above, this force is the amount in the normal direction with respect to the contact surface of the particle i and the particle j at the time t p , and when the unit vector in the normal direction is represented by e ji p , 11] is a vector indicating the direction of the force.

時刻tpにおいて粒子iがN個の衝突から受ける各々の法線方向力の合力は、[数式11]で表される力を方向eji pを持つベクトルとして対向粒子jについて和を取ることで得る。
The resultant force of each normal direction force that the particle i receives from the N collisions at the time t p is obtained by summing the opposing particle j with the force represented by [Equation 11] as a vector having the direction e ji p. obtain.

更に、各々の衝突における接触面の接線方向の力、及び各々の衝突による、回転モーメントも求め、その合力を求める。ここで、各接触面の接線方向の力及び回転モーメントは、非特許文献1にあるように、先行技術を用いて算出することができる。即ち、接触面の接線方向の力については、せん断抗力を与える弾性スプリングと粘性ダッシュポットの並列配置を仮定し、接触点近傍のせん断変形が主として要素間の摩擦力によって生ずるとして計算を行う。回転モーメントについては、要素毎に回転モーメントの運動方程式を立て、変位の運動方程式と同様に差分法による数値解析で求めることができる。これらの合力をもとめたら、先行技術と同様にして離散的な運動方程式を解き、時刻tp+1における速度と位置を求める。以上のステップのフローチャートを図6に示す。 Further, the force in the tangential direction of the contact surface in each collision and the rotational moment due to each collision are also obtained, and the resultant force is obtained. Here, the tangential force and rotational moment of each contact surface can be calculated using the prior art as described in Non-Patent Document 1. That is, the force in the tangential direction of the contact surface is calculated on the assumption that an elastic spring that gives shear resistance and a viscous dashpot are arranged in parallel, and shear deformation near the contact point is mainly caused by frictional force between elements. The rotational moment can be obtained by a numerical analysis based on a difference method in the same way as the displacement equation of motion, with the equation of motion of the moment of rotation established for each element. Once these resultant forces are obtained, the discrete equation of motion is solved in the same manner as in the prior art, and the velocity and position at time t p + 1 are obtained. A flowchart of the above steps is shown in FIG.

(粒子挙動解析方法)
多粒子系粒子の挙動を解析するための粒子挙動解析方法において、上記本発明の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いることができる。粒子挙動解析方法においては、個々の粒子の運動を運動方程式を用いて離散要素法で計算する。所定の空間領域内に存在するすべての粒子について、刻み時間をΔtとし、各粒子の運動方程式を差分方程式として数値計算を行う。他の粒子と衝突していない粒子については、外場がなければ等速直線運動、重力や電場等の外場があればそのような運動にさらに外場の力による運動が加わる。ここにおいて、任意の2個の粒子が衝突してから離れるまでの運動の計算について、上記本発明の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いる。
(Particle behavior analysis method)
In the particle behavior analysis method for analyzing the behavior of multiparticulate particles, the method for calculating the motion in the normal direction from the collision of the two particles of the present invention to the separation thereof can be used. In the particle behavior analysis method, the motion of each particle is calculated by a discrete element method using a motion equation. With respect to all the particles existing in a predetermined space region, numerical calculation is performed with the step time being Δt and the equation of motion of each particle as a difference equation. For particles that do not collide with other particles, if there is no external field, a constant-velocity linear motion, and if there is an external field such as gravity or an electric field, motion due to external field force is added to such motion. Here, the calculation method of the motion in the normal direction from the collision of the two particles of the present invention to the separation of the two particles is used for the calculation of the motion from the collision of any two particles to the separation of the two particles.

系の初期条件と境界条件を定めた上で、以上の手順で、多粒子系粒子を構成するすべての粒子について挙動解析を行い、時間の経過と共に対象とする多粒子系粒子が全体としてどのように運動するのかを明らかにすることができる。   After setting the initial conditions and boundary conditions of the system, perform the behavior analysis for all the particles that make up the multiparticulate particles according to the above procedure, and see how the target multiparticulate particles as a whole over time. It is possible to clarify whether to exercise.

本発明になる計算方法、装置を用いて、大きさの異なる粒子によって構成される粒子群が、重力加速度のもとで種々の装置の中を通過し、最終的に運動を停止するまでを追跡し、最終的に粒子群が形成する塊における粒子の空間粒度分布をもとめることが可能である。この時、粒子群が通過する装置として、シャトルコンベヤや、ホッパー、ドラムフィーダ、フルイ等の機械要素を仮想的に配置し、粒子群を焼結原料の粒を模した粒径分布を持つように決めてやることによって実際の焼結原料装入装置をモデル化することができる。最終的な粒子の空間粒径分布としては、大きい粒子が下になり、小さい粒子が上にくるような分布が形成されることが作業効率上望ましい。しかしながら、前述のように、機械要素の空間的な位置関係、操業条件によってそのような望ましい分布から外れた分布ができてしまう場合が多い。本発明になる計算方法、解析方法を用いて、焼結原料装置をモデル化し、最終的に形成される空間粒径分布を求めることができる。さらに、機械要素の位置、操業条件を変えて計算を実施することによって理想的な空間粒径分布を求めることができる。即ち、焼結原料装入装置の設計、操業条件の決定を著しく高速で行うことができるのである。
(焼結原料の粒子配置分布解析方法)
即ち、上記本発明の粒子挙動解析方法を、焼結原料の粒子配置分布解析方法として用いることができる。図7に示すような焼結原料分級設備において、シャトルコンベヤ1からサージホッパー2に投入され,ドラムフィーダ3から切り出され,フルイ4の上を通って落下してパレット5上の堆積物6となるた焼結原料の粒子配置分布を、本発明の粒子挙動解析方法によって求める。まず、シャトルコンベヤ1、サージホッパー2、ドラムフィーダ3、フルイ4を空間に配置し、それぞれの装置に各粒子が接触した際の境界条件を定める。次いで、シャトルコンベア内に搭載された焼結原料の粒子配置分布を初期条件として与える。以上の準備を整えた上で、系内に存在するすべての粒子(要素)について、運動方程式を刻み時間Δtの差分方程式として数値計算を行う。その際、上記本発明の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いる。
Using the calculation method and device according to the present invention, a group of particles composed of particles of different sizes passes through various devices under gravitational acceleration until it finally stops moving. In addition, it is possible to obtain the spatial particle size distribution of the particles in the lump finally formed by the particle group. At this time, mechanical elements such as shuttle conveyors, hoppers, drum feeders, and sieves are virtually arranged as devices through which the particle groups pass, so that the particle groups have a particle size distribution simulating the particles of the sintering raw material. By deciding, an actual sintering raw material charging apparatus can be modeled. As the final particle size distribution of the particles, it is desirable in terms of work efficiency that a distribution in which large particles are below and small particles are on top is formed. However, as described above, there are many cases where a distribution deviating from such a desirable distribution is generated depending on the spatial positional relationship and operation conditions of the machine elements. By using the calculation method and analysis method according to the present invention, the sintered raw material apparatus can be modeled and the spatial particle size distribution finally formed can be obtained. Furthermore, an ideal spatial particle size distribution can be obtained by changing the position of the machine element and operating conditions and performing the calculation. In other words, the design of the sintering raw material charging apparatus and the determination of the operating conditions can be performed at a remarkably high speed.
(Sintering raw material particle distribution analysis method)
That is, the particle behavior analysis method of the present invention can be used as a particle arrangement distribution analysis method for sintered raw materials. In the sintering material classification equipment as shown in FIG. 7, the material is put into the surge hopper 2 from the shuttle conveyor 1, cut out from the drum feeder 3, falls down on the fluid 4, and becomes a deposit 6 on the pallet 5. The particle distribution of the sintered raw material obtained is determined by the particle behavior analysis method of the present invention. First, the shuttle conveyor 1, the surge hopper 2, the drum feeder 3, and the sieve 4 are arranged in the space, and the boundary condition when each particle comes into contact with each device is determined. Next, the particle distribution of the sintered raw material mounted in the shuttle conveyor is given as an initial condition. After making the above preparations, a numerical equation is calculated for all particles (elements) existing in the system as a difference equation with a ticking time Δt. In that case, the calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particle | grains of this invention collide is used.

このような計算を行った結果として、シャトルコンベヤからサージホッパーに投入され,ドラムフィーダから切り出され,フルイの上を通って落下した焼結原料の粒子配置分布を、時間経過と共に明らかにすることができる。   As a result of such calculations, it is possible to clarify the particle distribution of the sintered raw material that has been thrown from the shuttle conveyor into the surge hopper, cut out from the drum feeder, and dropped over the fluid over time. it can.

(接触面法線方向の力にかかる係数)
[数式3]に用いられる係数kとηはそれぞれ,弾性係数および粘性係数と考えることができるが,単純な定数とするよりも、非特許文献2及び非特許文献3等に開示されたように、次のように設定することで精度のよい計算を効率良く行うことができる。
(Coefficient for force in the normal direction of the contact surface)
The coefficients k and η used in [Equation 3] can be considered as an elastic coefficient and a viscosity coefficient, respectively, but as disclosed in Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, etc., rather than simple constants. By setting as follows, accurate calculation can be performed efficiently.

衝突している2粒子を粒子i及び粒子jとする。   The two particles that collide are defined as particle i and particle j.

ここで,各変数は以下のように表わされる。
1/E*=(1−νi 2)/Ei+(1−νj 2)/Ej [数式15]
1/r*=1/ri+1/rj [数式16]
1/m*=1/mi+1/mj [数式17]
上記[数式13]〜[数式18]の範囲内で,Eはヤング率、νはポアソン比,rは衝突粒子の半径,mは衝突粒子の質量、eは反発係数,πは円周率を表わす。
Here, each variable is expressed as follows.
1 / E * = (1−ν i 2 ) / E i + (1−ν j 2 ) / E j [Formula 15]
1 / r * = 1 / r i + 1 / r j [ Equation 16]
1 / m * = 1 / m i + 1 / m j [Formula 17]
Within the range of [Equation 13] to [Equation 18], E is Young's modulus, ν is Poisson's ratio, r is the radius of the collision particle, m is the mass of the collision particle, e is the coefficient of restitution, and π is the circumference. Represent.

(画像処理用演算装置GPUを用いた解析)
粒子挙動解析の計算に用いる計算機として、画像処理を高速処理するための演算装置であるところのグラフィック・プロセシング・ユニット(GPU)で計算を行うと、通常の中央演算装置(CPU)を用いる汎用計算機を用いた同じ計算と比較して、計算時間が1/50以下に短縮できることが分かった。即ち、本発明になる計算方法を用いて作成されたプログラムをGPUに適用すると、従来技術の計算方法を用いたプログラムをCPUに適用した場合に比較して計算時間を1/200以下に短縮することができるのである。ただし、GPUで実施する場合は、計算機が実施するプログラム形態がCPUに適用するプログラム形態とは異なるので、プログラム形態を変更しなければならない。しかしながら、計算のアルゴリズムは同一であり、本発明になる計算方法になるアルゴリズムを用いることは同じであるので、GPUを用いて計算しても、本発明になるものであることは明白である。また、本発明になる計算方法には、GPUによる計算の特徴である並列計算を阻害する要因は全くない。従ってGPUによる計算の特徴を効率良く引き出すことが可能である。
(Analysis using image processing processor GPU)
A general-purpose computer that uses a normal central processing unit (CPU) as a computer used for the calculation of particle behavior analysis when it is calculated by a graphics processing unit (GPU), which is an arithmetic unit for high-speed image processing. It was found that the calculation time can be shortened to 1/50 or less in comparison with the same calculation using. That is, when a program created using the calculation method according to the present invention is applied to the GPU, the calculation time is reduced to 1/200 or less compared to the case where the program using the calculation method of the prior art is applied to the CPU. It can be done. However, when implemented on a GPU, the program form executed by the computer is different from the program form applied to the CPU, so the program form must be changed. However, the calculation algorithm is the same, and it is the same that the algorithm that becomes the calculation method according to the present invention is used. Therefore, even if the calculation is performed using the GPU, it is apparent that the present invention is achieved. In addition, the calculation method according to the present invention has no factor that hinders parallel calculation, which is a feature of calculation by GPU. Therefore, it is possible to efficiently extract the characteristics of calculation by GPU.

[実施例1](汎用計算機を用いた解析)
〔数式13〕〜[数式18]に示された係数を用いて、Δt=10-6秒の時間刻みで、5種類の大きさの球状粒子、2×104個からなる粒子群が、ホッパーからパレットに落下する計算を、汎用計算機を用いてシミュレーションした。従来技術で実施したものは、約50時間でシミュレーションが終了した。同様なシミュレーションを、時間刻みを50倍の5×10-5秒にして実施したところ、従来技術では、正確な解が得られなかった。しかしながら、時間刻みが5×10-5のままで本発明になる計算方法を用いると、約5時間でシミュレーションが終了し、従来技術で10-6の時間刻みで行った計算とほぼ同様な粒子分布を得た。即ち、前記「予測速度」に起因する誤差は、ほとんど無視できることが分かった。さらに、本発明になるプログラムにより、精度を保ったまま、計算時間が1/10に短縮されたことが分かった。
[Example 1] (Analysis using a general-purpose computer)
Using the coefficients shown in [Equation 13] to [Equation 18], a particle group consisting of 5 types of spherical particles and 2 × 10 4 particles in a time increment of Δt = 10 −6 seconds is obtained as a hopper. The calculation of falling onto the pallet was simulated using a general-purpose computer. The simulation performed in the conventional technique was completed in about 50 hours. A similar simulation was carried out at a time step of 50 × 5 × 10 −5 seconds. However, the prior art did not provide an accurate solution. However, if the calculation method according to the present invention is used with the time step kept at 5 × 10 −5 , the simulation is completed in about 5 hours, and the particle is almost the same as the calculation performed in the time step of 10 −6 in the prior art. Distribution was obtained. That is, it was found that the error due to the “predicted speed” can be almost ignored. Furthermore, it was found that the calculation time was shortened to 1/10 while maintaining accuracy by the program according to the present invention.

[実施例2]
(汎用計算機を用いた解析と画像処理用演算装置GPUを用いた解析との比較)
2×105個の粒子からなる粒子群の挙動の計算を、汎用計算機を用いて1×10-6秒の時間刻みで従来の計算方法を用いてシミュレーションしたところ、計算終了まで約98日かかった。同様な計算を、時間刻みを5×10-5秒として、本発明の計算方法を用いて実施したところ、約8日かかった。時間刻み5×10-5秒で、本発明の計算方法を適用したプログラムをGPUを用いた装置で動作するように変換してGPUを持つ装置で計算した。その結果12時間で計算が終了し、従来法で1×10-6秒の時間刻みの場合とほぼ同じ結果を得た。従って、汎用計算機を用いた従来技術に対して精度を維持したまま、計算時間が約1/200に短縮された。
[Example 2]
(Comparison between analysis using a general-purpose computer and analysis using a processing unit GPU for image processing)
The calculation of the behavior of a particle group consisting of 2 × 10 5 particles was simulated using a conventional calculation method at a time interval of 1 × 10 −6 seconds using a general-purpose computer, and it took about 98 days to complete the calculation. It was. A similar calculation was performed using the calculation method of the present invention with a time step of 5 × 10 −5 seconds, and it took about 8 days. In a time step of 5 × 10 −5 seconds, a program to which the calculation method of the present invention was applied was converted to operate on a device using a GPU and calculated on a device having a GPU. As a result, the calculation was completed in 12 hours, and almost the same result as in the case of the time increment of 1 × 10 −6 seconds was obtained by the conventional method. Accordingly, the calculation time is reduced to about 1/200 while maintaining the accuracy with respect to the conventional technique using a general-purpose computer.

[実施例3]
図7に示す装置を用い、シャトルコンベヤ1からサージホッパー2に投入され,ドラムフィーダ3から切り出され,フルイ4の上を通って落下した焼結原料の分布をシミュレーションするにあたり,本発明による粒子運動の計算方法を、汎用計算機を用いてシミュレーションを行った。まず、シャトルコンベヤ、サージホッパー、ドラムフィーダ、フルイを空間に配置し、それぞれの装置に各粒子が接触した際の境界条件を定めた。次いで、シャトルコンベア内に搭載された焼結原料の粒子配置分布を初期条件として与えた。以上の準備を整えた上で、系内に存在するすべての粒子(要素)について、運動方程式を刻み時間Δtの差分方程式として数値計算を行った。その際、上記本発明の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いた。
[Example 3]
The particle motion according to the present invention is used for simulating the distribution of the sintered raw material that has been thrown into the surge hopper 2 from the shuttle conveyor 1, cut out from the drum feeder 3, and dropped over the fluid 4 using the apparatus shown in FIG. 7. This calculation method was simulated using a general-purpose computer. First, a shuttle conveyor, a surge hopper, a drum feeder, and a sieve were arranged in the space, and boundary conditions when each particle contacted each device were determined. Subsequently, the particle arrangement distribution of the sintering raw material mounted in the shuttle conveyor was given as an initial condition. After making the above preparations, numerical calculations were performed on all particles (elements) present in the system as a difference equation with a ticking time Δt. At that time, the calculation method of the motion in the normal direction from the collision of the two particles of the present invention to the separation of the two particles was used.

図8に,フルイ部がプレートと複数の条材からなる装置における粒子挙動の計算結果を示す。落下した粒子は下部のパレット上に積もる。下部のパレットは図中右から左に所定の速度で移動しており,堆積した粒子は図中左方向に運ばれて次の工程に進む。計算では,3種類の大きさの粒子を考慮した(大粒子(最も明るい、白 粒子径6mm),中粒子(最も暗い、黒 粒子径5mm),小粒子(中間の明るさ、灰色 粒子径3mm))。各々の粒子は、同じ重量密度、3.3g/cm3とした。条材フルイの間隔は先端(右下)ほど広くなっており,大粒子ほど図右よりに落下する。落下した大粒子は堆積物斜面上を右方向に転がり,斜面右端から堆積物下部に巻き込まれ易くなる。一方小粒子は,フルイ部付け根あたりから落下し,下部バレットの堆積物の上面に降り積もる。これらにより,堆積物は,底から大粒子(最も明るい、白),中粒子(最も暗い、黒 ),小粒子(中間の明るさ、灰色)と分級されることが分かった。この結果を得るのに要した計算時間は10時間であった。さらに、同様な装置構成で同様な粒子挙動を、従来の離散要素法を用いて汎用計算機を用いて計算したところ約100時間かかった。本発明の手法により効率が向上したことが分かる。 FIG. 8 shows the calculation results of the particle behavior in the apparatus in which the sieve part is composed of a plate and a plurality of strips. The fallen particles accumulate on the lower pallet. The lower pallet moves from the right to the left in the figure at a predetermined speed, and the deposited particles are transported to the left in the figure and proceed to the next step. In the calculation, three types of particles were considered (large particles (the brightest, white particle diameter 6 mm), medium particles (the darkest, black particle diameter 5 mm), and small particles (intermediate brightness, gray particle diameter 3 mm). )). Each particle had the same weight density, 3.3 g / cm 3 . The interval between the strips is wider at the tip (lower right), and the larger particles fall from the right. The fallen large particles roll to the right on the slope of the deposit and are easily caught in the bottom of the deposit from the right end of the slope. On the other hand, small particles fall from around the root of the sieve and fall on the upper surface of the sediment in the lower bullet. As a result, it was found that sediments were classified from the bottom into large particles (lightest, white), medium particles (darkest, black), and small particles (intermediate brightness, gray). The calculation time required to obtain this result was 10 hours. Furthermore, when similar particle behavior was calculated with a similar apparatus configuration using a general-purpose computer using the conventional discrete element method, it took about 100 hours. It can be seen that the efficiency is improved by the method of the present invention.

[実施例4]
GPUを用いた画像処理専用計算機に、実施例3で用いた、本発明になるプログラムを移植し、実施例3と同じ要素配置での計算を行った。この時実施例3と同様な結果を得たが、計算に要した時間は2時間となり、汎用計算機を用いた実施例3に比較して1/50以下となった。更に、画像処理専用の計算機を用いたために、途中結果や最終結果のグラフィック表示も効率良く行うことができ、設計効率が著しく向上した。
[Example 4]
The program according to the present invention used in Example 3 was ported to a dedicated computer for image processing using a GPU, and calculations were performed with the same element arrangement as in Example 3. At this time, the same result as in Example 3 was obtained, but the time required for the calculation was 2 hours, which was 1/50 or less compared to Example 3 using a general-purpose computer. Furthermore, since a computer dedicated to image processing is used, the intermediate results and final results can be displayed efficiently, and the design efficiency is remarkably improved.

[実施例5]
GPUを用いた画像処理専用計算機を用いて、フルイ部がプレートと複数の条材からなる装置において,プレートの長さと角度,条材の開き角度を変えて計算を行った。その結果,堆積した粒子の分布は,プレート長さが0.5〜1.0 m,角度が40〜50度,条材の開き角度が1.5〜4.0度の範囲が良いことが分かった。
[Example 5]
Using a computer dedicated to image processing using a GPU, the calculation was performed by changing the length and angle of the plate and the opening angle of the strip in an apparatus in which the fluid part is composed of a plate and a plurality of strips. As a result, the distribution of the deposited particles should be in the range of 0.5 to 1.0 m for the plate length, 40 to 50 degrees for the angle, and 1.5 to 4.0 degrees for the strip opening angle. I understood.

1 シャトルコンベア
2 サージホッパー
3 ドラムフィーダ
4 フルイ
5 パレット
6 堆積物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shuttle conveyor 2 Surge hopper 3 Drum feeder 4 Fluid 5 Pallet 6 Deposit

Claims (5)

粒子の運動の計算における任意の二つの粒子が衝突してから離れるまでの運動を計算する方法であって、時刻tpにおいて衝突している二粒子の接触面法線方向(以下、「法線方向」という。)に働く力を、弾性係数がkであり、時刻tpにおける粒子のめり込み量δpに比例する弾性反発力
−k×δp
と、粘性係数がηの粘性抵抗力の和で表し、
一方の粒子1の、時刻tpより刻み時間Δtだけ進んだ時刻tp+1における法線方向速度V1 p+1の予測値E1 p+1及び他方の粒子2の時刻tpにおける法線方向速度V2 pとの差に比例する力
η×(V2 p−E1 p+1
を、粒子1に働く法線方向粘性力とし、さらに、他方の粒子2に働く法線方向粘性力を、同様に時刻tp+1における粒子2の法線方向速度の予測値E2 p+1と時刻tpにおける法線方向速度V1 pとの差に比例する力
η×(V1 p−E2 p+1
で表すことを特徴とする、二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
ここで、時刻指標pは整数であり、時間がΔt進行するとpの値が1増加する。また、右上添え字pは、時刻指標pにおける当該物理指標を意味する。
This is a method of calculating the motion from the collision of any two particles to the separation in the calculation of the motion of the particle, and the normal direction of the contact surface of the two particles colliding at time t p (hereinafter referred to as “normal”). The force acting in the “direction”) is an elastic repulsive force −k × δ p whose elastic coefficient is k and proportional to the amount of particle δ p at time t p .
And expressed as the sum of viscous drag forces with viscosity coefficient η,
Of one of the particles 1, the time t p than just time step Δt advanced time t p + direction normal velocity V 1 p + 1 in the first prediction value E 1 p + 1 and law at the time t p of the other particles 2 Force proportional to the difference from linear velocity V 2 p η × (V 2 p −E 1 p + 1 )
Is the normal direction viscous force acting on the particle 1, and the normal direction viscous force acting on the other particle 2 is also the predicted value E 2 p + of the normal direction velocity of the particle 2 at time t p + 1 . force eta × proportional to the difference between the normal direction velocity V 1 p at 1 and the time t p (V 1 p -E 2 p + 1)
The calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particles collide characterized by expressing by.
Here, the time index p is an integer, and the value of p increases by 1 when the time advances by Δt. The upper right subscript p means the physical index in the time index p.
粒子1の質量をm1及び、粒子2の質量をm2として、時刻tp+1における、粒子1の予測法線方向速度E1 p+1及び粒子2の予測法線方向速度E2 p+1をそれぞれ
及び
で表すことを特徴とする、請求項1に記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
Assume that the mass of particle 1 is m 1 and the mass of particle 2 is m 2 , the predicted normal direction velocity E 1 p + 1 of particle 1 and the predicted normal direction velocity E 2 p of particle 2 at time t p + 1 . +1 each
as well as
The calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particles collide of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
時刻tpにおいて、粒子1及び粒子2が衝突から受ける法線方向の力F1 p及びF2 p
及び
で表すことを特徴とする、請求項1又は2に記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法。
At time t p , normal forces F 1 p and F 2 p received by the particles 1 and 2 from the collision are obtained.
as well as
The calculation method of the motion of the normal direction until it leaves | separates after the two particles collide of Claim 1 or 2 characterized by these.
多粒子系粒子の挙動を解析するための粒子挙動解析方法であって、個々の粒子の運動を運動方程式を用いて離散要素法で計算し、任意の2個の粒子が衝突してから離れるまでの運動の計算について請求項1乃至3のいずれかに記載の二粒子が衝突してから離れるまでの法線方向の運動の計算方法を用いることを特徴とする粒子挙動解析方法。   A particle behavior analysis method for analyzing the behavior of multiparticulate particles, where the motion of each particle is calculated by the discrete element method using the equation of motion, until any two particles collide and then leave A particle behavior analysis method using the method for calculating the motion in the normal direction from the collision of two particles to the separation of the two particles according to any one of claims 1 to 3. シャトルコンベヤからサージホッパーに投入され,ドラムフィーダから切り出され,フルイの上を通って落下した焼結原料の粒子配置分布を求めるにあたり,請求項4に記載の粒子挙動解析方法を用いることを特徴とする、焼結原料の粒子配置分布解析方法。   The particle behavior analysis method according to claim 4 is used to determine the particle distribution of the sintered raw material that has been put into a surge hopper from a shuttle conveyor, cut out from a drum feeder, and dropped over a sieve. The particle arrangement distribution analysis method of the sintering raw material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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