圧縮シミュレーション

圧縮シミュレーションとは、気孔の減少によって高密度状態に圧縮されたときの粒状物質のモデリングです。この用語は、圧縮シミュレータを使用した圧縮を意味する場合にもよく使用されます。これは、製薬、触媒、電池、磁石の業界で使用される生産プレスをシミュレートするための、高性能のプログラム可能なサーボ制御プレスです。

圧縮プロセスには、充填またはパッキング、圧縮、および排出の 3 つの段階が含まれます。圧縮プロセス中に、荷重圧力が直線的に増加する場合、粉末アセンブリは 3 つの段階を経験します。まず、粒子が空隙を埋め、隣接する粒子と接触します。この段階は再配置段階と呼ばれます。ほとんどの接触が確立されると、最初の圧縮が開始されます。弾性変形と塑性変形が発生し、荷重圧力が急激に増加します。3 番目の段階は、粒子が破片に砕ける破壊です。

離散要素法（DEM）は、モデル化された個々の粒子の動きと相互作用を追跡できる明示的な数値モデルです。^[1] DEMは、定性的な説明だけでなく定量的な予測を作成することで粒状システムに対する理解を急速に高め、微視的および巨視的な情報の両方を提供することで粒子アセンブリに対する洞察力を高めました。^{[2] [3]} DEMは、化学工学、機械工学、食品産業、地球科学、農業などの 科学的タスクと産業において大きな可能性があることが証明されています。 ^{[4] [5]}

各粒子の並進運動と回転運動は、ニュートンの運動の第二法則によって計算できます。関係する力は通常、粒子の重力と、法線力と接線力を含む粒子間の接触力です。その他の力は、微細粒子システムと湿った粒子システムではそれぞれ ファンデルワールス力と毛細管力です。

シミュレーションプロセス全体には圧縮と破壊が含まれ、パッキング、圧縮、緩和、破砕の 4 つの段階があります。パッキング段階の初めに、モデル化された粒子が正方形の空間にランダムに生成され、重力下で小さな初期速度で落下してパッキングを形成します。粒子と壁の間に重なりはありません。次に、パッキングベッドはモデル化された平面によって低速で圧縮されます。ほとんどの場合、これは 10d/s に設定されます。圧縮密度が設定値 (たとえば 0.75) に達すると、ロードプロセスが停止し、平面が 5d/s の速度で上昇します。圧縮段階は、上部の平面が最も高い粒子を離れたときに終了します。最近の研究では、壁の影響を排除するために、パッキング段階と圧縮段階で周期的な境界が使用されています。