Кіріспе
Кішкентай бөлшектердің қозғалысы мен әсерін есептеуге арналған сандық әдістер. Дискретті элементтер әдісі (DEM), сондай-ақ ерекше элементтер әдісі деп аталады, бұл үлкен сандағы кішкентай бөлшектердің қозғалысы мен әсерін есептеуге арналған сандық әдістердің тобы. DEM молекулалық динамикамен тығыз байланысты болғанымен, бұл әдіс әдетте айналу бостандығының дәрежелерін, сондай-ақ күйлі контактіні, бөлшектердің деформациясын және көбінесе күрделі геометрияларды (мысалы, көпбұрыштарды) қамтиды. Есептеу қуатының және ең жақын көршілерді іздеуге арналған сандық алгоритмдердің жетістіктерінің арқасында, бір процессорда миллиондаған бөлшектерді сандық түрде модельдеу мүмкін болды. Бүгінде DEM гранулярлық және үздіксіз материалдардағы инженерлік мәселелерді шешудің тиімді әдісі ретінде кеңінен қабылданады, әсіресе гранулярлық ағындар, ұнтақ механикасы, мұз және тау жыныстары механикасы салаларында. DEM кеңейтілген дискретті элементтер әдісіне дейін дамытылды, онда жылу алмасу, химиялық реакциялар және CFD және FEM-мен байланыс ескеріледі. Дискретті элементтер әдістері салыстырмалы түрде көп есептеу ресурстарын қажет етеді, бұл модельдеу уақытын немесе бөлшектер санын шектейді. Молекулалық динамика кодтары сияқты, бірнеше DEM кодтары бөлшектер санын немесе модельдеу уақытын арттыру үшін параллель өңдеу мүмкіндіктерін (ортақ немесе таратылған жүйелер) пайдаланады. Барлық бөлшектерді жеке қарастырудың орнына, физикалық шамаларды көптеген бөлшектер бойынша орташалап, материалды континуум ретінде қарастыруға болады. Топырақ механикасындағыдай, қатты дене тәрізді гранулярлық мінез-құлық жағдайында континуумдық тәсіл материалды серпімді немесе серпімді-пластикалық ретінде қарастырады және оны шекті элементтер әдісімен немесе торсыз әдіспен модельдейді. Сұйықтық немесе газ тәрізді гранулярлық ағын жағдайында континуумдық тәсіл материалды сұйықтық ретінде қарастырып, есептеулік сұйықтық динамикасын қолдануы мүмкін. Дегенмен, гранулярлық физиканы гомогендеудің кемшіліктері жақсы сипатталған және үздіксіз тәсілді қолдануға тырысқаннан бұрын оларды мұқият қарастыру қажет.
A discrete element method (DEM), also called a distinct element method, is any of a family of numerical methods for computing the motion and effect of a large number of small particles. Though DEM is very closely related to molecular dynamics, the method is generally distinguished by its inclusion of rotational degrees of freedom as well as stateful contact, particle deformation and often complicated geometries (including polyhedra). With advances in computing power and numerical algorithms for nearest neighbor sorting, it has become possible to numerically simulate millions of particles on a single processor. Today DEM is becoming widely accepted as an effective method of addressing engineering problems in granular and discontinuous materials, especially in granular flows, powder mechanics, ice and rock mechanics. DEM has been extended into the Extended Discrete Element Method taking heat transfer, chemical reaction and coupling to CFD and FEM into account. Discrete element methods are relatively computationally intensive, which limits either the length of a simulation or the number of particles. Several DEM codes, as do molecular dynamics codes, take advantage of parallel processing capabilities (shared or distributed systems) to scale up the number of particles or length of the simulation. An alternative to treating all particles separately is to average the physics across many particles and thereby treat the material as a continuum. In the case of solid like granular behavior as in soil mechanics, the continuum approach usually treats the material as elastic or elasto plastic and models it with the finite element method or a mesh free method. In the case of liquid like or gas like granular flow, the continuum approach may treat the material as a fluid and use computational fluid dynamics. Drawbacks to homogenization of the granular scale physics, however, are well documented and should be considered carefully before attempting to use a continuum approach.
DEM отбасы
DEM отбасының әртүрлі тармақтары – Питер А. Кундалл мен Отто Д. Л. Штрак 1979 жылы ұсынған жеке элемент әдісі, жалпыланған дискретті элемент әдісі, үзілісті деформация талдауы (DDA) және бірнеше топтар (мысалы, Мунжиза және Оуэн) бір уақытта әзірлеген шекті дискретті элемент әдісі. Бұл әдіс алғаш рет 1971 жылы Кундалл тарапынан тау жыныстары механикасының мәселелері үшін жасалған. Уильямс Биканик, Бобет және т.б. (төменде қараңыз). Біріктірілген шекті дискретті элемент әдісі туралы толық мәліметтер "Біріктірілген шекті дискретті элемент әдісі" кітабында келтірілген.
Термиялық DEM
Дискретті элементтер әдісі көптеген денелік проблемаларда, әсіресе ұсақ түйіршікті материалдарда механикалық өзара әрекеттесуді қарастыру үшін кеңінен қолданылады. DEM-нің түрлі кеңейтулерінің ішінде жылу ағынын ескеру ерекше пайдалы. Жалпы айтқанда, термодинамикалық DEM әдістерінде механикалық жүктемеге түсетін макроскопиялық ұсақ түйіршікті немесе көп элементті орта арқылы жылу ағынын модельдеу үшін жеке элементтің жылулық қасиеттерін ескеретін термомеханикалық байланыс қарастырылады. Классикалық DEM-нің бір бөлігі ретінде есептелетін бөлшектер арасындағы күштер бөлшектер арасындағы нақты жанасу аймақтарын анықтауға және осылайша бір қатты элементтен екіншісіне жылудың өткізгіштік арқылы берілуін модельдеуге қолданылады. DEM-де қарастырылатын тағы бір мәселе – бөлшектер арасындағы кеңістікте газ фазасының жылу өткізгіштігі, сәулеленуі және конвекциясы. Бұны жеңілдету үшін элементтер арасындағы газ фазасының қасиеттері, қысым, газдың жылу өткізгіштігі және газ молекулаларының орташа еркін жүріс жолы тұрғысынан қарастырылуы керек.
Комбиндалған шекті дискретті элементтер әдісі
Мунжиза мен Оуэннің жұмысына сүйене отырып, біріктірілген шекті дискретті элементтер әдісі әртүрлі бейірRegular және деформацияланатын бөлшектерді зерттеу үшін одан әрі дамытылды. Бұл әдіс фармацевтикалық таблетка жасау, қаптамалау және ағын симуляциясы, сондай-ақ соқтығысу талдауы сияқты көптеген салаларда қолданылады.