基于离散元理论的振动筛分数值模拟程序开发.pdf

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1、·应用研究·孙鹏杨亚罗黄亚宇基于离散元理论的振动筛分数值模拟程序开发71基于离散元理论的振动筛分数值模拟程序开发孙鹏，杨亚罗，黄亚宇(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650093)摘要：依据离散元法理论对直线振动筛分过程进行了数值仿真，给出了程序运行的逻辑结构，并通过讨论确定了碰撞模型所选取的碰撞参数。通过引入CPU与GPU混合并行运算方法提高了数值仿真的运算效率，并依据运算结果讨论了并行运算对离散元三维数值仿真的影响。关键词：离散元法；并行运算；振动筛分；数值模拟中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号i1672—

2、1616(2012)05—0071一O31概述主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。随着科学技术的不断进步，并行计算的广度和深度也1．1振动筛分的研究方法在发生着变化。与传统的多CPU相对应的显卡在振动筛分过程中散体物料颗粒的研究对振(GPu)的并行处理能力由于其特殊的工作要求，动筛分作业的发展有较深刻的影响。此方法是根已经大大超过CPU。但是显卡由于其工作需求的据物料的真实运动规律来模拟物料在筛分过程中不同在逻辑处理能力上与传统的CPU还有一定差的个体和群体轨迹，能比较真实地反映筛分的结距。本文所讨论的就是在兼顾CPU

3、的逻辑处理能果。最早的研究是把散体颗粒近似于流体的连续力以及GPU的数值计算能力的基础上编制数值介质来进行处理，分析颗粒间的接触力和接触碰撞仿真程序并比较其之间的效率。关系，但离散集合体中颗粒运动却是不连续的复杂1．3OlPENMP和CJ】=)A运动，不同于流体结构，不符合连续介质的模型。后来随着科学技术的发展和不断摸索，发现运用离本文中并行运算实现方法是通过OPENMP散元法对散体颗粒之间的接触力计算、颗粒碰撞的以及CUDA提供的API以C语言来实现的。其中OPENMP是面向共享内存以及分布式共享内存的运动状态进行分析和

4、仿真，可以满足在研究散体颗粒上的需求。多处理器多线程并行编程语言，具有良好的可移植1．2并行运算的引入性。CUDA是NVIDIA公司开发的面向GPU并行运算的应用程序编程接口，支持包括C／C++在振动筛分中的群体离散元计算是个工作量非内的多种编程语言。常大的工程，它不但要解决判断大量颗粒碰撞问题，还要解决每个颗粒的速度、位移、受力等的计算问题，计算量大、数据多是它的特点。如何有效地2计算模型与结构设计．提高它的计算速度，使其更适合于我们的需要是一2．1计算模型直以来引起大家关注的一个热点问题，也可以说是基于离散元理论创建振

5、动筛分模型主要需解技术上的瓶颈，以往研究者都通过硬件上的提升来决如下问题：试图取得该方面的突破，笔者根据自己在GPU算a．筛分物料的几何模型以及物理参数。法上的研究，考虑把CPU以及GPU的并行运算方几何模型的建立决定了碰撞判断的效率。在法应用到离散元模型的数值模拟上，以提高其运算本程序中所有的筛分物料都是根据焦红光提出的效率。以圆形物料模拟真实筛分物料⋯1。这样可以加快并行计算(ParallelComputing)是指同时使用碰撞判断的速度，同时与实际筛分过程模拟结果相多种计算资源解决计算问题的过程。并行计算的差不大。收

6、稿日期：2011—10—08基金项目：云南省基金资助项目(KKSA200901O26)作者简介：孙鹏(1984一)，男，山东济南人，昆明理工大学硕士研究生，主要研究方向为离散元数值仿真以及三维视景仿真。722012年3月中国制造业信息化第41卷第5期b．筛网与筛壁的几何模型以及物理参数。行运算得到较大的效率提升。筛网与筛壁的几何模型是通过筛网与筛壁的法相向量和其在空间位置的起始点以及长度与宽3模拟参数的选择度确定的。在数值计算过程中，此种模型建立方法3．1小球颗粒度的选取及筛孔的选取可以简化碰撞的判断计算。本文在筛分模拟中

7、选取10mm、20mm和C．碰撞刚度与阻尼以及时步的确定。30mm作为筛分物料的取值。密度设为2．8X采用较小的刚度值和较大的阻尼值，可以使得100kg／m3，其数量比例依据实际需求分别设为计算时步加大，进而减少计算的步骤，达到提高运25％，40％，35％。设分离粒度为20mm，因此筛孑L算速度的目的。但是，与之相矛盾的是：过大的时的长度设为分离粒度的1．2倍，即24mmX步与较小的刚度会导致模拟物料在一个计算时步100ram。振动筛长度为800mm，宽度为384mm。内穿过筛网与筛壁而不能正确判断是否碰撞或是3．2小球与

8、筛网的刚度以及阻尼碰撞方向判断出错。目前比较好的方法就是试算在离散元模拟过程中考虑到过大的刚度会导法，即先由经验公式推导出刚度、时步、阻尼值，再致在设置小球碰撞的过程中需要减小碰撞的时间，通过模拟运算进行调整【卜。防止小球在一个计算时步过程中会出现穿越或过d．数据结构。量重叠现象。一般设小球的重叠量为其