隨著工業自動化和數字化轉型的加速，離散元仿真（DEM,DiscreteElementMethod）技術在多個領域的應用正迎來前所未有的增長。離散單元法是由美國學者CundallP.A.教授在1971年基于分子動力學原理首次提出的一種顆粒離散體物料分析方法，該方法最早應用于巖石力學問題的分析，后逐漸應用于散狀物料和粉體工程領域。由于散狀物料通常表現出復雜的運動行為和力學行為，這些行為難以直接使用現有基本理論，尤其是基于連續介質理論的方法來解釋，而進行實驗研究則成本高、周期長，因此DEM仿真技術的應用越來越廣。

基本原理：

離散元法是專門用來解決不連續介質問題的數值模擬方法。該方法把節理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節理面所組成，允許巖塊平移、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離或滑動。因此，巖體被看作一種不連續的離散介質。其內部可存在大位移、旋轉和滑動乃至塊體的分離，從而可以較真實地模擬節理巖體中的非線性大變形特征。離散元法的一般求解過程為：將求解空間離散為離散元單元陣，并根據實際問題用合理的連接元件將相鄰兩單元連接起來；單元間相對位移是基本變量，由力與相對位移的關系可得到兩單元間法向和切向的作用力；對單元在各個方向上與其他單元間的作用力以及其它物理場對單元作用所引起的外力求合力和合力矩，根據牛頓運動第二定律可以求得單元的加速度；對其進行時間積分，進而得到單元的速度和位移。從而得到所有單元在任意時刻的速度、加速度、角速度、線位移和轉角等物理量。

該方法是繼有限元法、計算流體力學（CFD）之后，用于分析物質系統動力學問題的又一種強有力的數值計算方法。離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數化模型，進行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結構、流體與電磁及其耦合等綜合問題提供了一個平臺，已成為過程分析、設計優化和產品研發的一種強有力的工具。

目前DEM在工業領域的應用非常廣泛，并已從散體力學的研究、巖土工程和地質工程等工程應用拓展至工業過程與工業產品的設計與研發的領域，在諸多工業領域取得了重要成果，特別適合處理涉及顆粒、結構、流體與電磁及其耦合等復雜問題。

以下是DEM在工業領域的一些主要應用：

過程工程：DEM在過程工程領域中被廣泛應用于顆粒體系的研究，特別是在流態化研究領域。它與計算流體力學（CFD）結合形成的CFD-DEM耦合方法，已經在流化床、氣力輸送等過程中得到廣泛應用。

材料設計與CAE：在材料設計與計算機輔助工程（CAE）領域，DEM作為一種仿真技術，對基礎科研和工業研發以及生產中發揮著重要作用。它能夠模擬顆粒的微觀運動，從而得到顆粒流的宏觀運動規律，對材料的力學行為進行分析。

工業過程模擬：DEM能夠模擬顆粒流體系，如料斗、螺旋輸送器、顆粒混合器和高爐布料等，以及顆粒流體系統，如循環流化床、湍動床和提升管反應器等。這些模擬對于工業過程的優化和設備設計至關重要。

工業產品的設計與研發：DEM在工業產品的設計與研發中也取得了重要成果，它能夠提供一種強有力的工具，幫助工程師在產品設計階段進行模擬和分析，從而優化產品性能。

巖土工程和地質工程：DEM最初應用于巖土力學問題，后來逐漸擴展到地質工程等領域。它能夠模擬巖體的破壞過程，對于工程設計和災害預防具有重要意義。

虛擬工廠技術：DEM軟件如DEMms能夠實現大規模異構并行計算，為過程工業的高水平數字孿生提供計算引擎，服務于“雙碳”目標下流程再造的研發需求。

DEM的這些應用展示了它在工業領域的成熟度和重要性，它已經成為過程分析、設計優化和產品研發中不可或缺的工具。隨著技術的不斷進步，DEM在工業領域的應用將會更加廣泛和深入。

為了進一步推動這一技術的發展，Altair將于2024年11月20日至21日舉辦全球離散元仿真技術（ATCxDEM）直播會議，展示DEM在工業制造業中的深度應用，探索與其他先進技術的融合，推動其應用向更高層次發展。

在此次ATCxDEM會議中，幾場演講特別關注DEM技術與多物理場仿真、人工智能（AI）、GPU加速等新興技術的結合，預示著DEM技術將進入一個全新的發展階段：

（1）與CFD的耦合

流化床干燥器的CFD-DEM建模和垃圾焚燒爐中的非穩態燃燒數值研究展示了DEM與計算流體力學（CFD）技術的結合應用。通過這種耦合仿真，工程師能夠更準確地模擬顆粒在流體中的運動，優化工業過程中的能量利用效率和物料處理效果。比如，垃圾焚燒爐案例中，EDEM與Fluent的耦合仿真能夠模擬焚燒過程中的顆粒行為、氣體流動及化學反應，從而提高燃燒效率并降低環境污染。

（2）與AI技術的融合

隨著人工智能的興起，DEM技術正在與AI技術深度融合。例如，在AI賦能電解質材料仿真，提高充電電池能效的案例中，EDEM與AI結合，用于模擬電解質材料在微觀尺度上的行為，從而為高性能新型電池的研發提供科學依據。這種AI與DEM結合的趨勢為電池行業帶來了前所未有的創新機會，推動了電池設計的智能化和精準化。

（3）GPU加速與大規模并行計算

隨著計算資源的不斷提升，GPU加速和大規模并行計算在DEM中的應用已經成為提升仿真效率的重要手段。Altair通過不斷優化EDEM軟件，支持GPU加速，極大地提高了仿真速度，尤其在處理數百萬顆粒的仿真時，能夠顯著縮短計算時間，增強了實時仿真和大規模系統分析的能力。

離散元仿真技術作為一種強大的模擬工具，正在幫助全球各行業加速數字化轉型，提高生產效率，降低運營成本。隨著技術的不斷進步，DEM的應用領域將越來越廣泛，未來的發展趨勢也將更加注重與AI、CFD等其他先進技術的深度融合，推動仿真技術的智能化和精確化。

ATCxDEM離散元仿真技術全球會議

此次會議，Altair將邀請德國默克醫療、CNH凱斯紐荷蘭、NISSAN汽車、住友金屬、Sandvik山特維克、山東臨工等全球知名企業的技術專家和一線工程師，傾情分享近60個不同行業的精彩演講，共同探索離散元方法在各個行業中的創新應用。