文|混史小郎君
编辑|混史小郎君
«——【·简介·】——»
离散元法（DEM）已被工程师和研究人员广泛用于模拟各个领域的颗粒材料，DEM 建模的一个关键应用是模型的构建和输入参数的校准，基于 DEM 模拟，已经开展了许多研究来研究球磨机内的球运动。
研究人员开发了一个基于 DEM 建模的放大模型来研究翻滚球磨机的性能，他们表明，颗粒与球的接触是研磨过程中颗粒的主要破碎机制，他们还透露，在各种条件下估计的颗粒研磨速率与实验结果一致。
科研人员使用DEM模拟和数据驱动的方法来模拟不同操作条件下球磨机中颗粒的冲击能，通过将模拟结果与实验数据进行比较，验证了所获得的模式，结果表明，研磨性能随着磨机尺寸的增大而降低，并且冲击能受到磨机操作条件的影响。
粉末颗粒形状和球粉直径比对行星式球磨机中 EDEM 模拟和时间的影响，并得出的结论，模拟时间和数据大小随着球与粉末直径比的增加而增加，较大的晶粒长度表明研磨程度较高，多面体球铣削系统的衬板磨损比纯球面更严重。
使用物理和 DEM 建模方法可以研究颗粒形状对滚筒磨机中负载运动的影响，并得出结论，与球形颗粒相比，立方体颗粒在高能冲击作用中的贡献多出 5%，随着颗粒形状从球形变为立方体，模拟时间增加了 35 倍。
使用三种行星式球磨机研究自转与公转速度比和旋转方向对研磨性能的影响，表明，反向旋转方向比正常旋转方向对于提高铣削性能非常有效，因此，最佳自转与公转速度比可用于确定有效的铣削条件。
使用滚筒磨机进行了湿磨中的球磨机模拟，并讨论实验结果与模拟结果之间的相关性，并发现，通过模拟确定的比冲击能与样品的研磨速率相关，表明能量是湿研磨控制中最有影响的因素。
试点 SAG 磨机分析 DEM 中岩石形状表示出对流动和能量利用的影响，岩石形状对装料中的大粒度级影响较大，将电气系统和多体动力学模型与DEM方法相结合，探索出半自磨在各种条件下的性能，电机负载转矩、电流和磨机转速在初始阶段的波动比稳定运行阶段要大得多。
基于DEM模拟和实验，通过改变材料特性和操作条件来研究立式辊磨机（VRM）的性能，VRM的破碎特性对于设备的运行参数和优化非常有力，在球磨机上进行了 DEM 模拟，以研究磨机几何形状、研磨介质尺寸、研磨速度和固体百分比对表观破碎率的影响。
破损率随着搅拌器速度的增加而显着增加，并且研磨介质的增加导致破损率增加，仿真得到的结果与实验得到的结果是一致的，球尺寸的变化对铣削的演变影响不大，研磨率随着相同尺寸的球的数量而增加。
研究人员基于机电耦合模型研究了各种初始模式对球磨机性能的影响，发现仿真结果与实验数据一致，使用 DEM 模拟来研究磨机填充率、端部衬板配置、形状和球尺寸对作用在衬板上的力分布的影响，发现力（径向和切向）随着磨机填充量的增加和球的增大而增加。
在基于 DEM 模拟，研究了磨机操作条件和颗粒特性的变化对电荷特性和磨机功率的影响，发现磨机行为对电荷特性的敏感性以及使用 DEM 的不同假设的关键意义；基于超二次 DEM 模拟，研究了块度、颗粒长宽比和旋转速度对混合速率的影响，发现转速对混合速率有很大影响。
在转鼓数量、填充度、转鼓直径和转速对不规则砾石和砂材料在转鼓中混合均匀度的影响下，得出转速是影响混合的非常重要的因素，而滚筒的直径是最不重要的，并使用DEM模拟研究了两种球磨机的转速、球材料和研磨时间对涂层特性的影响，结果表明，冲击力对涂层的影响小于接触次数的影响，球材料特性也不再影响涂层的差异。
«——【·DEM模型及模拟条件·】——»
模拟中使用了高能行星式球磨机 (Fritsch Pulverisette 7)，该球磨机由支撑盘、两个容量为15毫升的小瓶和直径为15毫米的球组成，在材料研究、纳米材料制备、合金合成、生物化学等领域得到广泛应用
行星式球磨机的工作原理使在行星式的高能量作用下，研磨球与样品之间发生高速碰撞和摩擦，导致样品颗粒逐渐被压碎和粉碎，碾磨过程中，样品内部的结构也可能发生变化，例如晶格缺陷、晶粒尺寸变化等。
样品的碾磨时间和主轴旋转速度可以通过设定控制，以满足特定研究或制备需求，不同的样品类型和目标粒度可能需要不同的磨磨时间和转速，除了粉碎作用，行星式球磨机还能够有效地实现不同样品的合成，因为不同磨罐中的样品在高速运动下相互之间也会发生混合。
在这项工作中，模拟是通过将粉末与球混合开始的，然后磨机以固定速度旋转以提升球-颗粒混合物，此后，流量达到稳定状态。
使用DEM仿真软件EDEM Altair 2021.2进行仿真，该软件提供了多种理论和模拟方法，因此，基于 Hertzian 接触理论和 Mindlin Deresiewicz 模型的 Hertez-Mindlin 接触模型因其有用且精确的力计算而被用于 DEM 模拟。
因此，粉末颗粒的形状是球形，为最常见的粉末颗粒形状，特别是对于液相合成的颗粒来说，这是因为在液滴形成的过程中，表面张力的作用使得液滴尽量形成球形，最小化表面能量。球形颗粒在一些应用中具有较好的流动性和堆积性。
«——【·粉末颗粒的不同影响·】——»
实验显示了不同颗粒形状的颗粒和研磨球，均具有级联机制的运动模式没有太大差异，这表明粉末颗粒的形状对行星式球磨机内部的运动模式没有太大影响，研究人员得出的结论是，当BPDR超过20/3时，颗粒的尺寸和形状对运动模式和模拟结果没有太大影响。
然而，一些工作假设行星式球磨机的过程非常复杂，最佳参数很大程度上取决于研磨材料和操作条件。
不同球粉直径比（BPDR = 1、3、5 和 10）下的颗粒，在这一实验部分中，我们假设粒子形状是单球体，我们可以观察到随着 BPDR 从 1 增加到 10，运动模式略有不同，对于 BPDR 等于 1 和 3 的情况，我们注意到了白内障状态。
对于 BPDR 等于 5 和 10 的情况，我们注意到级联状态，其中球与球的接触可能受到限制，因为粉末和球之间的接触保留了较长的研磨时间，另一方面，BPDR的增加导致球粉接触的数量增加，这表明当 BPDR 达到最大值 10 时，颗粒尺寸不会影响小瓶中的运动模式。
不同转速（100、300 和 500 rpm）下颗粒也会产生相应的影响，随着转速的增加，运动模式存在显着差异，显然转速对行星式球磨机的DEM模拟有显着影响，事实上，该实验结果显示了实验结果和模拟结果之间的一致性是可以接受的。
另一方面，粒子根据其速度用不同的颜色体现，转速会影响平均堆积密度：转速较小时密度较大，科研人员在其作品中解释说明研究了水平搅拌中转速和介质负载对颗粒流动和研磨性能的影响
他们发现，磨机速度的增加导致颗粒速度的增加，从而引起颗粒之间更大的碰撞，他们所揭示的磨机速度的影响与自转公转半径有关，他们还得出结论，转速与自转-公转速度比密切相关，并使用DEM模拟研究了立式碾米机中的颗粒流，表明长径比对铣削的影响很大程度上取决于转速。
«——【·最终的结论·】——»
对行星式球磨机进行了基于DEM方法的数值模拟，通过 DEM 建模模拟颗粒和研磨球的行为，研究了粉末颗粒形状、球与粉末直径比以及行星式球磨机转速的影响，粉末颗粒的形状不会显着影响运动模式和模拟结果。
模拟时间随着球粉直径比的增加而增加，旋转速度的增加极大地影响了运动模式和模拟时间，结果表明，球磨前应适当调整球粉直径比和转速。
研究了研磨参数（包括粉末颗粒形状、转速和球粉直径 (BPDR)）对行星式球磨机 DEM 建模的影响，BPDR在1到10之间变化，结果表明，当BPDR达到 最大值10时，粉末颗粒的尺寸和形状对模拟结果没有产生显着变化。
BPDR的增加导致模拟时间和模拟时间的增加，因此，粉末颗粒形状的变化对计算数据大小的影响并不显着，结果还表明，转速的增加会增加粉末颗粒之间的冲击能。
参考文献：
1.《高级球磨机建模综述》
2.《用于模拟行星式球磨机的 DEM 参数校准》
3.《通过离散元模拟深入了解高级球磨机建模》
4.《离散元建模校准方法的开发和验证：颗粒物质》
5.《离散元建模 (DEM) 输入参数：使用统计分析了解其对模型预测的影响》
6.《湿式加速器中研磨介质运动与碰撞的模拟-使用 DEM 与 CFD 相结合的铣削》
