离散元法颗粒物料仿真解决方案 Edan
Edan：高性能离散元法（DEM）颗粒物料仿真解决方案
在重型设备、采矿、炼钢、工艺制造等行业，散装与颗粒物料（如煤、矿石、土壤、药片、粉末）的处理与加工是核心环节。传统依靠物理试验分析颗粒物料行为的方式，存在成本高、周期长、难以覆盖复杂工况的局限，无法满足企业对设备性能优化与流程改进的需求。Norria Edan 作为一款基于离散元法（DEM）的高性能颗粒物料仿真软件，彻底改变这一现状 —— 它能精准仿真数百万甚至数千万颗粒在不同操作条件下的运动与相互作用，为工程师提供颗粒 - 设备、颗粒 - 颗粒作用的关键数据，可单独使用或与其他 CAE 工具协同，助力企业优化设备设计、提升工艺效率、降低研发成本。
一、Norria Edan 核心定位：颗粒物料仿真的 “精准分析与优化引擎”
Norria Edan 并非简单的颗粒模拟工具，而是聚焦 “多场景适配、高性能计算、跨工具协同” 的专业化 DEM 解决方案，其核心价值贯穿颗粒物料处理全流程：
- 全类型颗粒物料覆盖：从大尺寸的岩石、矿石，到细颗粒的土壤、粉末，再到特殊形态的纤维、药片，均可通过 Edan 构建精准的颗粒模型，还原真实物料特性。某采矿企业通过 Edan 仿真矿石在破碎机中的破碎与流动过程，精准预测破碎效率与设备磨损情况，优化破碎参数；
- 复杂工况仿真能力：支持模拟不同操作条件（如温度变化、湿度影响、设备转速调整）下颗粒物料的行为，如粘性粉末的团聚、可压缩土壤的压实、湿涂层颗粒的相互作用等，为极端工况下的设备设计提供依据。某制药企业通过 Edan 仿真高湿度环境下药片的输送过程，解决药片粘连导致的输送堵塞问题；
- 跨行业应用适配：无论是重型设备行业的挖掘机铲斗物料挖掘仿真、采矿行业的选矿设备颗粒分离仿真，还是炼钢行业的高炉原料布料仿真、工艺制造行业的片剂包衣机混合仿真，Edan 均能提供定制化仿真方案，满足不同行业的核心需求。某重型设备厂商通过 Edan 优化挖掘机铲斗结构，使铲斗装满系数提升 12%，作业效率显著提高。
二、为什么选择 Norria Edan？三大核心优势，破解颗粒仿真痛点
在颗粒物料仿真需求日益复杂、对精度与效率要求不断提升的背景下，Norria Edan 从 “便捷性、性能、扩展性” 三个维度，为企业提供关键解决方案：
（一）即时访问材料模型库，快速启动仿真工作
传统 DEM 仿真需花费大量时间构建与校准材料模型，导致项目周期延长。Norria Edan 内置丰富的预校准材料模型库，大幅降低仿真门槛：
- 多类型材料模型覆盖：库中包含岩石、矿石、土壤、粉末、纤维、谷粒、药片等数十种常见颗粒物料的预校准模型，每个模型均包含密度、弹性模量、泊松比、摩擦系数、粘聚力等关键物理参数，无需工程师从零开始构建。某农业机械企业使用 Edan 内置的谷粒模型，仅需 1 小时即可完成收割机粮箱内谷粒流动的仿真设置，而传统建模方式需 2-3 天；
- 参数灵活调整：支持根据实际物料特性，对预校准模型的参数进行微调（如调整粉末的粘性系数、矿石的硬度参数），确保模型与真实物料的一致性。某建筑企业通过调整 Edan 内置土壤模型的压实系数，精准仿真地基土壤在压路机作用下的压实过程，预测地基承载力；
- 行业标准模型适配：部分材料模型参考行业标准测试数据（如 ASTM 标准、ISO 标准）校准，确保仿真结果的可靠性与权威性，可直接用于项目验收或产品认证。某汽车零部件企业通过 Edan 符合 ISO 标准的粉末模型，仿真粉末冶金零件的成型过程，结果与物理试验误差小于 5%，满足质量认证要求。
（二）高性能求解器，支撑大规模颗粒仿真
随着仿真需求的复杂化，大规模颗粒系统（数百万甚至数千万颗粒）的计算效率成为关键瓶颈。Norria Edan 搭载多平台高性能求解器，轻松应对大规模仿真任务：
- 多硬件平台兼容：支持 CPU、GPU、多 GPU 三种计算模式，可根据仿真规模灵活选择 —— 小规模颗粒系统（数万颗粒）可使用 CPU 快速计算；中大规模系统（数十万至数百万颗粒）可启用 GPU 加速，计算效率提升 5-10 倍；超大规模系统（数千万颗粒）可通过多 GPU 协同计算，突破硬件性能限制。某采矿企业使用 4 块 GPU 协同仿真 2000 万颗矿石在溜槽中的流动过程，计算时间从 CPU 模式的 72 小时缩短至 8 小时；
- 可扩展计算性能：求解器采用分布式计算架构，支持增加计算节点（如扩展 GPU 数量、增加服务器）进一步提升性能，满足不断增长的仿真规模需求。某钢铁企业通过扩展至 8 块 GPU，成功仿真 5000 万颗铁矿粉在高炉布料器中的分布过程，为优化布料工艺提供数据支撑；
- 计算精度与效率平衡：在保证计算精度的前提下，通过自适应时间步长、粒子接触检测优化等技术，进一步提升计算效率。例如，Edan 可根据颗粒运动速度自动调整时间步长，在颗粒运动剧烈时减小步长保证精度，在运动平缓时增大步长提升速度，实现 “精度不打折、效率最大化”。
（三）与其他 CAE 工具集成，扩展应用范围
单一 DEM 仿真难以覆盖 “颗粒 - 结构 - 流体” 多物理场耦合场景，Norria Edan 支持与多类 CAE 工具协同，构建全物理场仿真体系：
- 与 Norria 生态工具深度集成：可与 Norria 旗下的 FEA（有限元分析）工具（如 Norria SimSolid）、MBD（多体动力学）工具（如 Norria Motion）、CFD（计算流体动力学）工具无缝对接，实现多物理场耦合仿真。例如，将 Edan 的颗粒仿真结果（如颗粒对设备的冲击力）导入 FEA 工具，分析设备结构强度；或在 CFD 工具中加入 Edan 的颗粒模型，仿真颗粒 - 流体混合系统（如气固两相流）；
- 与第三方 CAE 工具兼容：支持通过中性文件格式（如 STL、CSV、HDF5）或标准接口（如 API、Python 脚本），与第三方 FEA 工具（如 ANSYS、ABAQUS）、MBD 工具（如 ADAMS）、CFD 工具（如 FLUENT）集成，融入企业现有 CAE 工作流。某航空航天企业通过 Python 脚本将 Edan 的粉末颗粒仿真数据导入 ANSYS，分析航天器燃料粉末在存储罐中的堆积对罐体结构的影响；
- 多物理场耦合仿真能力：通过集成实现 “颗粒 - 结构 - 流体” 多场耦合分析，解决复杂工程问题。例如，某环保企业通过 Edan 与 CFD 工具协同，仿真含颗粒污水在过滤器中的流动与过滤过程，分析颗粒对过滤器滤芯的堵塞规律，优化滤芯结构与反冲洗周期。
三、Norria Edan 主要功能：全流程赋能颗粒物料仿真与分析
Norria Edan 具备 “颗粒建模、行为仿真、流程优化、结果分析” 全流程功能，满足从基础仿真到高级定制的多样化需求：
（一）仿真任何材料：多形态颗粒建模，还原真实物料
Edan 提供灵活的颗粒建模工具，支持构建不同形态、不同尺寸的颗粒模型，适配全类型颗粒物料：
- 多球法与多面体粒子求解器：针对不规则形状颗粒（如岩石、纤维），采用多球法（将颗粒分解为多个球体组合）或工业级多面体粒子求解器（直接构建复杂多面体模型），精准还原颗粒几何形态。例如，使用多面体求解器构建不规则矿石颗粒，仿真其在破碎机中的碰撞与破碎行为；
- 颗粒尺寸与分布控制：支持设置颗粒尺寸范围（如最小直径 1mm、最大直径 10mm）与尺寸分布规律（如正态分布、均匀分布、实际物料筛分分布），确保颗粒群与真实物料的尺寸特性一致。某食品企业通过设置符合实际筛分数据的颗粒尺寸分布，仿真巧克力颗粒在混合机中的混合均匀度；
- 特殊颗粒形态支持：针对纤维类物料（如棉花、玻璃纤维），提供细长颗粒建模工具，可设置纤维长度、直径、弯曲度等参数；针对片剂、胶囊等规则异形颗粒，支持导入自定义几何模型（如通过 CAD 软件设计的片剂模型），满足特殊行业需求。
（二）逼真的材料行为：全物理模型，还原复杂工况
Edan 内置全面的物理模型，可模拟不同环境下颗粒物料的复杂行为，确保仿真结果的真实性：
- 基础物理特性模拟：支持模拟颗粒的弹性碰撞、摩擦、滚动、滑动等基础行为，通过调整弹性模量、摩擦系数、滚动阻力等参数，还原不同物料的力学特性（如金属颗粒的高弹性、土壤颗粒的高摩擦）；
- 特殊环境行为模拟：针对干燥、粘性、可压缩、高温等特殊环境，提供专属物理模型 —— 干燥颗粒模型模拟颗粒间无粘性相互作用（如砂石）；粘性模型模拟潮湿粉末的团聚行为（如水泥粉末）；可压缩模型模拟土壤、粉末的压实过程；高温模型模拟高温环境下颗粒的软化、熔融行为（如炼钢中的矿石）；
- 复杂物理现象模拟：支持模拟颗粒破碎、团聚、涂层、磁性吸附等复杂现象，通过定制化物理模型解决行业痛点。例如，某采矿企业使用颗粒破碎模型，仿真矿石在颚式破碎机中的破碎过程，分析破碎产物粒度分布；某制药企业使用颗粒涂层模型，仿真药片在包衣机中的涂层厚度分布与均匀性。
（三）快速简便的工作流：直观操作，提升仿真效率
Edan 采用直观的用户界面与自动化功能，简化仿真流程，降低操作难度，让工程师聚焦核心分析任务：
- 直观用户界面：采用 “向导式” 操作流程，从 “新建项目 - 导入几何模型 - 设置颗粒参数 - 定义边界条件 - 运行仿真 - 查看结果” 各环节均提供可视化操作界面，支持拖拽、点击等简单操作，新手用户可快速上手；
- 自动化仿真设置：支持自动生成颗粒群（如根据容器体积自动填充颗粒）、自动识别设备几何边界（如区分静止壁面与运动部件）、自动设置接触参数（如根据物料类型匹配默认摩擦系数），减少手动操作步骤。某化工企业通过自动化设置，将粉末在反应釜中的仿真准备时间从 4 小时缩短至 1 小时；
- 模板化工作流：支持将常用的仿真设置（如物料参数、边界条件、求解器参数）保存为模板，在同类项目中直接复用，避免重复设置。某汽车企业针对不同型号的变速箱齿轮粉末冶金成型仿真，创建标准化模板，新项目仿真准备时间缩短 60%。
（四）高级分析：多维度结果解读，挖掘数据价值
Edan 提供丰富的可视化与分析工具，帮助工程师从仿真结果中提取关键信息，指导工程决策：
- 实时可视化监控：仿真过程中可实时查看颗粒运动轨迹、速度分布、受力状态（如接触力大小与方向）、设备与颗粒的相互作用，直观观察仿真现象（如颗粒堵塞、堆积、混合）；
- 多维度数据分析：内置分析工具支持计算关键指标，包括颗粒混合均匀度、设备载荷（如颗粒对壁面的冲击力、压力分布）、颗粒流动速度与流量、颗粒破碎率、涂层厚度分布等，自动生成数据报表；
- 灵活数据导出与后处理：支持将仿真结果导出为多种格式（如 CSV、Excel、HDF5、VTK），用于进一步分析；同时提供 Python 库，工程师可通过编程自定义分析逻辑（如编写脚本计算特定区域的颗粒浓度变化趋势）。某物流企业通过导出的颗粒流量数据，分析皮带输送机的输送效率，优化输送机速度与倾角。
（五）定制化服务：API 与脚本支持，满足特殊需求
针对复杂或个性化的仿真需求，Edan 提供定制化服务，通过 API 与脚本扩展软件功能：
- API 自定义物理场：开放 Edan API 接口，支持开发自定义物理模型，模拟特殊颗粒行为，如湿涂层颗粒的粘连、磁性颗粒的吸附、高温颗粒的化学反应等。某新能源企业通过 API 开发锂离子电池正极材料颗粒的烧结模型，仿真颗粒在高温烧结过程中的团聚与致密化行为；
- Python 脚本自动化：支持通过 Python 脚本实现仿真流程自动化（如批量运行多个仿真案例、自动调整参数并对比结果）、自定义结果分析（如编写脚本生成定制化报表、绘制特殊图表）。某科研机构通过 Python 脚本批量运行 100 组不同参数的颗粒混合仿真，快速筛选出最优混合工艺参数；
- 专业定制服务：Norria 团队可根据企业特殊需求，提供定制化开发服务（如开发专属颗粒模型、优化求解器性能、定制行业专用工作流），解决 “通用软件无法满足特殊需求” 的问题。某核工业企业通过定制化开发，实现核废料颗粒在处理设备中的辐射屏蔽仿真，满足核安全分析要求。
（六）CAE 导出集成：多工具协同，实现全物理场分析
Edan 支持将仿真结果导出至其他 CAE 工具，实现 “颗粒 - 结构 - 流体” 多场协同分析，扩展仿真应用场景：
- 与 FEA 工具集成：将 Edan 的颗粒对设备的载荷数据（如冲击力、压力、摩擦力）导出至 FEA 工具，分析设备结构强度、疲劳寿命、振动特性。例如，某矿山设备企业将 Edan 仿真的矿石对破碎机颚板的冲击力导入 FEA 工具，优化颚板材料与厚度，延长使用寿命；
- 与 MBD 工具集成：将 Edan 的颗粒阻力、重力等数据导入 MBD 工具，分析设备运动部件的动力学特性（如速度、加速度、力矩）。某农业机械企业将 Edan 的谷物对收割机割台的阻力数据导入 MBD 工具，优化割台运动轨迹与动力分配；
- 与 CFD 工具集成：将 Edan 的颗粒模型与 CFD 工具的流体模型耦合，仿真颗粒 - 流体相互作用（如气固两相流、液固两相流）。某能源企业通过 Edan 与 CFD 工具协同，仿真煤粉在锅炉中的流动、燃烧过程，优化锅炉炉膛结构与配风方案，提高燃烧效率。
四、Norria Edan 工作流示例：行业化解决方案，解决实际问题
Norria Edan 在不同行业均有成熟的应用工作流，以下为典型行业示例，展现其实际应用价值：
（一）工艺制造：评估片剂包衣机中的混合效率
在制药行业，片剂包衣机的混合效率直接影响药片涂层的均匀性与质量。Edan 可通过以下工作流评估并优化混合效率：
- 建模与设置：导入片剂包衣机的 CAD 几何模型（如滚筒、导流板），使用 Edan 的多面体粒子求解器构建药片颗粒模型（直径 8mm，符合实际药片尺寸），设置滚筒转速（如 20rpm）、导流板位置等操作参数；
- 仿真运行：启动 Edan 仿真，模拟药片在滚筒内的运动过程，实时记录药片的位置、速度、与滚筒壁面的接触情况；
- 混合效率分析：使用 Edan 的混合效率分析工具，计算不同时间段药片的混合均匀度（如通过颗粒分布标准差、混合指数评估），识别混合死角（如滚筒内药片难以到达的区域）；
- 优化方案验证：调整导流板数量、角度或滚筒转速，重新仿真并对比混合效率，最终确定最优参数（如增加 2 块导流板、转速调整为 25rpm），使混合均匀度提升 20%，涂层合格率从 85% 提升至 98%。
（二）重型设备：使用 Edan 和 Device 进行挖掘机仿真
在重型设备行业，挖掘机铲斗的物料挖掘与装载效率是核心性能指标。Edan 与 Norria Device（多体动力学工具）协同，可优化铲斗设计与作业参数：
- 多工具协同设置：在 Edan 中构建土壤颗粒模型（采用可压缩物理模型，模拟真实土壤的力学特性），在 Device 中构建挖掘机铲斗与动臂的多体动力学模型，通过接口实现两者数据交互；
- 挖掘过程仿真：在 Device 中控制铲斗的挖掘轨迹（如切入角度 30°、挖掘速度 0.5m/s），Edan 同步仿真土壤颗粒在铲斗作用下的破碎、流动、进入铲斗的过程，计算土壤对铲斗的挖掘阻力；
- 性能分析：将 Edan 的挖掘阻力数据导入 Device，分析铲斗油缸的受力、动臂的扭矩，评估挖掘机的作业能耗；同时，通过 Edan 统计铲斗的装满系数（实际装土量 / 铲斗理论容积）；
- 优化设计：调整铲斗斗齿数量（如从 5 个增加至 7 个）、斗底弧度（如半径 1.2m 调整为 1.5m），重新仿真后发现，挖掘阻力降低 15%，装满系数从 80% 提升至 92%，作业效率显著提高。