基于離散元理論的振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬程序開(kāi)發(fā).pdf

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1、·應(yīng)用研究·孫鵬楊亞羅黃亞宇基于離散元理論的振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬程序開(kāi)發(fā)71基于離散元理論的振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬程序開(kāi)發(fā)孫鵬，楊亞羅，黃亞宇(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650093)摘要：依據(jù)離散元法理論對(duì)直線振動(dòng)篩分過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，給出了程序運(yùn)行的邏輯結(jié)構(gòu)，并通過(guò)討論確定了碰撞模型所選取的碰撞參數(shù)。通過(guò)引入CPU與GPU混合并行運(yùn)算方法提高了數(shù)值仿真的運(yùn)算效率，并依據(jù)運(yùn)算結(jié)果討論了并行運(yùn)算對(duì)離散元三維數(shù)值仿真的影響。關(guān)鍵詞：離散元法；并行運(yùn)算；振動(dòng)篩分；數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：TP338文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)i1672—

2、1616(2012)05—0071一O31概述主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，并行計(jì)算的廣度和深度也1．1振動(dòng)篩分的研究方法在發(fā)生著變化。與傳統(tǒng)的多CPU相對(duì)應(yīng)的顯卡在振動(dòng)篩分過(guò)程中散體物料顆粒的研究對(duì)振(GPu)的并行處理能力由于其特殊的工作要求，動(dòng)篩分作業(yè)的發(fā)展有較深刻的影響。此方法是根已經(jīng)大大超過(guò)CPU。但是顯卡由于其工作需求的據(jù)物料的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)模擬物料在篩分過(guò)程中不同在邏輯處理能力上與傳統(tǒng)的CPU還有一定差的個(gè)體和群體軌跡，能比較真實(shí)地反映篩分的結(jié)距。本文所討論的就是在兼顧C(jī)PU

3、的邏輯處理能果。最早的研究是把散體顆粒近似于流體的連續(xù)力以及GPU的數(shù)值計(jì)算能力的基礎(chǔ)上編制數(shù)值介質(zhì)來(lái)進(jìn)行處理，分析顆粒間的接觸力和接觸碰撞仿真程序并比較其之間的效率。關(guān)系，但離散集合體中顆粒運(yùn)動(dòng)卻是不連續(xù)的復(fù)雜1．3OlPENMP和CJ】=)A運(yùn)動(dòng)，不同于流體結(jié)構(gòu)，不符合連續(xù)介質(zhì)的模型。后來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和不斷摸索，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用離本文中并行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)OPENMP散元法對(duì)散體顆粒之間的接觸力計(jì)算、顆粒碰撞的以及CUDA提供的API以C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中OPENMP是面向共享內(nèi)存以及分布式共享內(nèi)存的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析和

4、仿真，可以滿足在研究散體顆粒上的需求。多處理器多線程并行編程語(yǔ)言，具有良好的可移植1．2并行運(yùn)算的引入性。CUDA是NVIDIA公司開(kāi)發(fā)的面向GPU并行運(yùn)算的應(yīng)用程序編程接口，支持包括C／C++在振動(dòng)篩分中的群體離散元計(jì)算是個(gè)工作量非內(nèi)的多種編程語(yǔ)言。常大的工程，它不但要解決判斷大量顆粒碰撞問(wèn)題，還要解決每個(gè)顆粒的速度、位移、受力等的計(jì)算問(wèn)題，計(jì)算量大、數(shù)據(jù)多是它的特點(diǎn)。如何有效地2計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．提高它的計(jì)算速度，使其更適合于我們的需要是一2．1計(jì)算模型直以來(lái)引起大家關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，也可以說(shuō)是基于離散元理論創(chuàng)建振

5、動(dòng)篩分模型主要需解技術(shù)上的瓶頸，以往研究者都通過(guò)硬件上的提升來(lái)決如下問(wèn)題：試圖取得該方面的突破，筆者根據(jù)自己在GPU算a．篩分物料的幾何模型以及物理參數(shù)。法上的研究，考慮把CPU以及GPU的并行運(yùn)算方幾何模型的建立決定了碰撞判斷的效率。在法應(yīng)用到離散元模型的數(shù)值模擬上，以提高其運(yùn)算本程序中所有的篩分物料都是根據(jù)焦紅光提出的效率。以圓形物料模擬真實(shí)篩分物料?1。這樣可以加快并行計(jì)算(ParallelComputing)是指同時(shí)使用碰撞判斷的速度，同時(shí)與實(shí)際篩分過(guò)程模擬結(jié)果相多種計(jì)算資源解決計(jì)算問(wèn)題的過(guò)程。并行計(jì)算的差不大。收

6、稿日期：2011—10—08基金項(xiàng)目：云南省基金資助項(xiàng)目(KKSA200901O26)作者簡(jiǎn)介：孫鵬(1984一)，男，山東濟(jì)南人，昆明理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡x散元數(shù)值仿真以及三維視景仿真。722012年3月中國(guó)制造業(yè)信息化第41卷第5期b．篩網(wǎng)與篩壁的幾何模型以及物理參數(shù)。行運(yùn)算得到較大的效率提升。篩網(wǎng)與篩壁的幾何模型是通過(guò)篩網(wǎng)與篩壁的法相向量和其在空間位置的起始點(diǎn)以及長(zhǎng)度與寬3模擬參數(shù)的選擇度確定的。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，此種模型建立方法3．1小球顆粒度的選取及篩孔的選取可以簡(jiǎn)化碰撞的判斷計(jì)算。本文在篩分模擬中

7、選取10mm、20mm和C．碰撞剛度與阻尼以及時(shí)步的確定。30mm作為篩分物料的取值。密度設(shè)為2．8X采用較小的剛度值和較大的阻尼值，可以使得100kg／m3，其數(shù)量比例依據(jù)實(shí)際需求分別設(shè)為計(jì)算時(shí)步加大，進(jìn)而減少計(jì)算的步驟，達(dá)到提高運(yùn)25％，40％，35％。設(shè)分離粒度為20mm，因此篩孑L算速度的目的。但是，與之相矛盾的是：過(guò)大的時(shí)的長(zhǎng)度設(shè)為分離粒度的1．2倍，即24mmX步與較小的剛度會(huì)導(dǎo)致模擬物料在一個(gè)計(jì)算時(shí)步100ram。振動(dòng)篩長(zhǎng)度為800mm，寬度為384mm。內(nèi)穿過(guò)篩網(wǎng)與篩壁而不能正確判斷是否碰撞或是3．2小球與

8、篩網(wǎng)的剛度以及阻尼碰撞方向判斷出錯(cuò)。目前比較好的方法就是試算在離散元模擬過(guò)程中考慮到過(guò)大的剛度會(huì)導(dǎo)法，即先由經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出剛度、時(shí)步、阻尼值，再致在設(shè)置小球碰撞的過(guò)程中需要減小碰撞的時(shí)間，通過(guò)模擬運(yùn)算進(jìn)行調(diào)整【卜。防止小球在一個(gè)計(jì)算時(shí)步過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)穿越或過(guò)d．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。量重疊現(xiàn)象。一般設(shè)小球的重疊量為其