TF-DEM
基于离散单元法的通用颗粒系统仿真分析软件
TF-DEM简介
TF-DEM软件是一款基于离散单元法的通用颗粒系统仿真分析软件。TF-DEM采用GPU并行加速，具备模型创建、前处理、求解器和后处理一体化的仿真流程，具备完善的交互操作环境与可视化功能，面向以散体物料为主要处理对象的自然和工业过程，如矿冶、制药、化工、能源和先进制造等工程领域的颗粒和颗粒-流体多相系统。
TF-DEM支持多分散颗粒性质（材料、形状、尺寸）、内置高密度颗粒生成算法和丰富的壁面运动边界条件，能够提供颗粒尺度的详细信息，包括颗粒间相互作用力、堆积结构、接触力链、颗粒材料与机械结构间相互作用力等传统实验难以获取的数据。TF-DEM具备丰富的数值模型和结果后处理能力，可模拟球形、非球形颗粒，预测设备磨损、颗粒-流体相互作用，是助力实现工业过程智能化的有效工具。
功能亮点
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物理模型
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非球形颗粒建模
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丰富的边界条件
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加速算法
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监控和后处理
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多物理场耦合
物理模型
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接触模型
TF-DEM支持常见的接触模型，可模拟弹性、粘弹性、弹塑性颗粒材料行为，能够准确描述颗粒-颗粒、颗粒-流体、颗粒-边界相互作用。
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固结模型
固结模型将颗粒间的固结作用视为一组虚拟弹簧，可抵抗颗粒间的弯曲、扭转、拉伸作用，在给定强度准则下实现固结键的断裂。采用固结模型可仿真块体颗粒破碎、预测粉末压块的强度和破碎失效行为。同时，TF-DEM内置了无重叠球元颗粒填充算法，可对非球形颗粒进行快速建模，简化可破碎颗粒的建模流程。
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磨损模型
TF-DEM针对颗粒对壁面磨损场景，内置了多种磨损预测模型，包括Relative Wear、Archard Wear和Oka Wear等；磨损模型通过量化和统计颗粒对边界的作用力，可定性和定量地评估壁面的磨损情况。
非球形颗粒建模
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组合球方法
TF-DEM支持业界广泛采用的组合球方法，该方法基于单元球进行碰撞探测与接触求解，适用性广。为支持非球形颗粒快速建模，TF-DEM开发了非球形颗粒形状拟合工具，可基于导入的颗粒几何，采用一定数量的球元进行几何填充，基于填充率，控制拟合精度。
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粘结球方法
为显式地模拟颗粒破碎过程，TF-DEM开发了无重叠球元填充算法，基于导入的颗粒几何模型，将一定数量的球元填入几何，球元间可基于用户指定的规则引入虚拟的固结梁以仿真颗粒破碎行为。
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不规则形状颗粒
TF-DEM可计算不规则形状颗粒，如杆状、药片、钢块、木块、牙膏等。
丰富的边界条件
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复杂壁面处理
TF-DEM允许设置简单解析边界和导入复杂壁面网格文件，支持多种文件格式，包括stl、step、stp、igs、iges和obj格式等。支持对几何模型进行平移、旋转、缩放等多种坐标变换操作。TF-DEM开发了基于Level-Set的壁面解析算法，相比传统的颗粒-面元接触碰撞算法，可显著降低GPU显存消耗，有效提升计算效率和计算规模。
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刚体复杂运动
TF-DEM支持平移、旋转、多轴旋转、随体平移/旋转运动。支持指定平移方向、平移速度、旋转轴、旋转角速度、旋转点、设置循环运动，通过多个运动叠加可实现单刚体复杂运动。
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输运边界条件
TF-DEM支持平移输运和旋转输运运动，可指定平移输运方向、平移输运速度、旋转输运方向、旋转角速度、旋转点、设置循环运动，可模拟皮带物料输送过程。
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振动边界条件
TF-DEM支持正弦平移和正弦旋转运动，可指定移动方向、旋转轴、旋转点、运动频率、初始相位、幅值、设置循环运动，可仿真振动筛分过程。
加速算法
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GPU并行
TF-DEM完全基于GPU并行。同时，开发了多种算法，进一步提高计算效率，包括：
1）适配GPU架构的多重网格搜索算法，以加速具有宽泛粒径分布颗粒系统的邻域粒子搜索过程；
2）粒子属性的内存排序，优化GPU内存合并访问效率；
3）溢出粒子动态删除算法。 -
多计算域
TF-DEM支持多计算域，通过分域计算减少无效计算区域，提高计算速度。
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移动计算域
TF-DEM支持移动计算域，计算域可设置随体运动。通过缩小计算区域，提高计算效率。
监控和后处理
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计算监控
TF-DEM具备丰富的计算监控功能，可监控入料、边界受力、流量、局部体积平均物理量。
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数据可视化
TF-DEM支持颗粒云图变量显示，边界磨损云图变量显示，支持力链显示。
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分域统计
TF-DEM支持划分统计域，可统计域内变量信息，如域内颗粒数量、颗粒平均直径、颗粒平均速度等。
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平均化处理
基于平均化技术， TF-DEM可从离散的颗粒信息中提取连续场信息，包括密度场、速度场、应力场等。
多物理场耦合
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颗粒-流体系统
颗粒-流体系统广泛存在工业和自然过程中，如矿冶、化工、能源和先进制造等领域。耦合计算流体动力学（CFD）和离散单元法（DEM）是实现颗粒-流体系统高保真数值仿真的一种关键技术手段。在CFD-DEM耦合方法中，CFD主要用于模拟流体的流动，而DEM则用于描述颗粒运动及颗粒间的相互作用。相比基于欧拉模型的连续介质方法，CFD-DEM耦合方法可以显式地描述流体-颗粒间的相互作用，无需全局性假设，为用户提供颗粒尺度的详细信息。
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颗粒-多体系统
耦合离散单元法和多体动力学方法可同时描述散体物料的微观行为和复杂机械系统的宏观运动，能够更准确地预测颗粒与机械系统的相互作用，在矿冶、农机、建筑等领域中具有广泛的应用场景。DEM-MBD联合仿真可预测设备阻塞、泄露、磨损、能耗，从而优化机械结构和控制系统，进而提高设备的总体性能。TF-DEM可与多体软件耦合，实现颗粒系统与复杂机械系统的联合仿真。
典型应用
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矿冶领域
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工程机械
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制药工程
矿冶领域
传统矿冶和化工行业流程多且复杂，设备尺寸大，实验样机制造成本高，用户关注设备顺行、使用寿命、能耗比等。TF-DEM内置了多种物理模型，如磨损模型、固结模型，可对输运、破碎、筛分、分选分级等多种过程进行仿真，有利于加深单元操作过程的机理认识，优化工艺、指导设备的制造和选型。
TF-DEM支持多分散物料属性、颗粒尺寸分布和形状分布，设置不同的边界条件，实现多种单元操作的仿真计算。以皮带运输为例，可对非球形颗粒进行建模，获取皮带与物料间的相互作用力，通过磨损模型预测皮带的磨损程度，得到皮带支撑辊的受力情况，优化皮带运行，预测皮带寿命。
工程机械
工程机械领域设备种类繁多，运动复杂。TF-DEM支持丰富的边界运动，可设置单刚体平移、旋转、多轴旋转、随体旋转、随体平移、振动、输运及多种运动组合，支持DEM-MBD联合仿真，能够广泛应用在工程机械领域。
通过解析颗粒材料与机械结构在不同条件下的相互作用，TF-DEM可预测设备阻塞、泄露、磨损、能耗，优化机械结构和控制系统的设计，进而提高设备的总体性能。实际应用中，以堆取料机为例，TF-DEM可分析取料过程中铲斗内物料的质量变化，计算铲斗受力，预测设备动力学性能，为产品的设计、失效预测提供理论依据。
制药工程
制药行业中药粉具有尺寸小、粘性作用强等特点，仿真中需考虑颗粒间的粘性作用。通过TF-DEM仿真计算，可对制药过程的混合过程如双螺杆锥形混合机、V型混合机等过程进行仿真，解决混合不均、混合时间长、功耗高等常见工艺问题。实际应用过程中，通过对药粉填充过程进行仿真，解决充填不均导致产品质量不稳定等问题。通过固结模型对药粉压制过程进行仿真，能够分析颗粒间的相互作用力，分析药粉破碎的原因。TF-DEM可以提供实验难以测量的数据，有助于强化工艺认识，减轻实验负担，减少经济投入，建立工艺、几何特征与材料性质的相关性模型，从而改善工艺参数、优化原料配方、减小成分偏析。
