使用 Rocky DEM 仿真评估传送带系统
了解计算机模拟如何帮助解决各行各业常见的传送带难题。
挑战
传送带在采矿、农业、制造业、食品加工和物流等行业中不可或缺。它们促进了散装物料和产品在生产和配送各个环节的高效运输。然而，尽管传送带应用广泛，但其系统经常遭遇操作挑战，从而影响效率并增加成本。最常见的挑战如下。
跑偏： 皮带偏离其运行轨迹，导致不均匀磨损、边缘损坏以及潜在的系统故障。这通常是由于机架未对准、装载不当或滚筒磨损造成的。
物料溢出： 皮带上的物料损失，尤其是在转运点，会导致安全风险和更高的维护成本。原因在于密封不良或跑偏。
皮带打滑： 皮带与驱动皮带轮之间失去牵引力，导致运输延迟并加剧磨损。通常由于张力不足或皮带轮磨损造成。
堵塞： 物料堆积会阻碍输送，损坏皮带并导致停机。通常由堆积物或异物引起。
回运： 粘附在皮带上的残留物料返回系统，堆积在滚轮和滑轮上，需要经常清理。
托辊卡死： 固定托辊会产生摩擦，损坏皮带并增加能耗。定期检查有助于防止这种情况发生。
皮带下垂： 张力损失会导致皮带下垂，增加功耗并降低效率。过度张紧会加剧磨损。
工程解决方案
传统上，传送带问题通常通过定期检查、经验调整和保守的设计裕度来解决。虽然这些方法有所帮助，但它们通常严重依赖于反复试验，这既耗时又昂贵。 主动工程解决方案（例如高级材料测试和系统重新设计）越来越多地受到数字技术的支持，从而能够更快、更精确地改进。 离散元法 (DEM) 仿真提供了一个强大的环境，可用于测试不同的操作条件，并在颗粒级别预测传送带上散装物料的行为，例如：
详细分析物质流动模式。
预测磨损严重、溢出或堵塞的区域。
优化设计特征，如滑槽角度、皮带速度和惰轮位置。
减少现实世界中的反复试验，降低原型制作成本并加快创新周期。
方法
为了演示此方法的强大功能，我们以下图所示的传送带为例。组件中的每个组件都是一个单独的 STL 文件，导入到 Ansys Rocky 中。铲斗未显示，但用户可以轻松加载多个配置文件，逐个进行测试，并确定提供最佳结果的选项。
在设置中我们包括：
物理与附加模块 。重力和滚动阻力模型已激活。这些模块根据粒子相互作用计算变量，这些变量随后将用于后处理（例如，估算功耗）。
粒子数据 。下图展示了帮助手册中建议使用球面多面体体积的土豆形状。该形状是通过调整纵横比、平滑度和角点数等参数生成的。此外，粒子尺寸可以是均匀的，也可以遵循粒度分布 (PSD)，在本例中范围在 0.08 - 0.12 m 之间。
质量流速 。我们首先创建一个用于颗粒释放的表面。然后，如果使用多种形状，则为每个形状的颗粒定义入口质量流速。在本例中，仅包含土豆形颗粒进行模拟。
运动框架 。这是此类模拟的关键。基本上，导入的几何体仅包含一个在 Rocky 内部复 制的铲斗。根据系统中的 n 个滚轮，存在一个平移运动和 n 个旋转运动。用户必须定义：
- 皮带速度
- 完成一圈或一轮的时间
- bucket 的数量材料 。在 Ansys Rocky 中，可以为壁面（边界）和粒子创建材料。需要密度、杨氏模量和泊松比等属性。粒子之间以及粒子与边界之间的相互作用参数也很重要，包括静摩擦力、动摩擦力以及恢复系数。Ansys Rocky 提供材料向导，可在材料数据不可用时协助完成此过程。
结果
Ansys Rocky 能够评估基于质量和体积的功耗、颗粒分布和排放统计等关键操作参数，为设计优化和决策提供宝贵的数据。
功率曲线 。图中显示，在 47.05 秒时达到最大功率 1,679 W。将其四舍五入为 1,700 W，并假设电机效率较高 (90-95%)，则所需输入功率范围为 1,789 - 1,889 W（2.40 - 2.53 马力）。可以延长仿真时间来验证这些值。
跟踪随时间变化的变量 。在 DEM 模拟中，可以在空间中创建一个区域，允许粒子穿过。此设置可以生成图表，显示粒子数量、质量或体积等变量随时间的变化。这些值可以记录并绘制为瞬时测量值或累计值。左侧的图表显示穿过该区域的所有粒子的累计质量，而右侧的图表显示瞬时粒子数量。
具体结果 。为了追踪特定值或特定属性在特定范围内的马铃薯在一段时间内的运输量，可以使用相同的测量区域。例如，为了计算特定尺寸范围内的马铃薯数量，可以创建一个 Property 对象，然后生成相应的图表。
计算时间 。我们利用 CPU 和 GPU 进行了模拟求解，以评估使用不同数量的核心所需的时间，如下图所示。 此外，还提供了使用指定 GPU 卡的时间作为参考（用户可能拥有性能更佳的 GPU 卡，实际时间会比所示卡短）。请注意，处理时间取决于设置的不同方面，例如：
颗粒大小、形状和总数。
模块已启用（已执行计算）。
模拟时间。
下面的视频直观地展示了主要步骤：
Ansys 解决方案优势
Ansys Rocky 是一款领先的离散元法 (DEM) 软件，用于模拟颗粒和非连续材料的运动。它旨在通过精确模拟颗粒流来解决工程问题。Rocky 能够模拟真实的颗粒形状，包括固体、二维壳以及刚性和柔性纤维。该软件以其快速准确的模拟而闻名，利用多图形处理单元 (GPU) 求解器技术来处理各种工业应用中不同形状和大小的颗粒。
它提供多 GPU 处理、逼真的粒子形状、磨损建模、粒子破碎和凝聚力等功能。Ansys Rocky 因其强大的 DEM 软件功能而备受认可，能够加速复杂的粒子模拟。 此外，Ansys Rocky 释放了解决大规模 DEM 模拟的潜力，可轻松处理数百万个粒子。
它支持多 GPU 处理，逼真的复杂粒子形状，并提供与流体、结构力学和电磁场的耦合。该软件还包含破损建模和光滑粒子流体动力学等高级功能，使其成为一款全面的粒子动力学模拟工具。
