ATCx DEM（離散要素法）

2004 年以来、アステックは EDEM を使用して革新と最適化を行い、より信頼性が高く効率的な装置、お客様の収益性の向上、持続可能性の向上を実現してきました。  この間、ハードウェアとソフトウェアの進歩により、特に流体連成とマルチフィジックスの分野で、より深い探求が可能になりました。  本講演では、私たちのEDEMの歩み、現在の状況、そして残された課題について説明します。

※本セッションは、日本語同時通訳をご利用いただけます。

基調講演の後、4つのセッションに分かれます。

• 重機・オフロード車
• 鉱業・金属
• プロセス製造
• 新しい適用分野

各セッションの詳細は、タブをクリックしてご確認ください。

このインタラクティブなセッションでは、当社のソフトウェアの新機能やアップデートの詳細について、当社のエキスパートをご紹介します。エキスパートによるライブのインタラクティブなQ&Aセッションです。

※本セッションは、日本語同時通訳をご利用いただけます。

Stage 1
– Altair® EDEM™ベンチマーク – EDEMアソシエイトプロダクトマネージャー Sophie Cole氏
– EDEM™とHyperStudy®の組み合わせによるSAGミルの設計と運用の最適化 – アルテア インターン、Bruno Mimouni

Stage 2
– EDEM™ Powders Databaseによる粉体のシンプルかつ効率的なモデリング – アルテア シニアアプリケーションエンジニア Stefan Pantaleev
– 流れに身を任せる：DEMとCFDの出会い – アルテア アプリケーションエンジニア Jerrin Job Sibychan

Stage 3
– システム設計と最適化をスピードアップするAI搭載ソリューション – アルテアDirector Math Systems、Livio Mariano
– モデルベースシステムの統合 EDEM™、MotionSolve®、Activate® – アルテア シニア製品エンジニア Patrick Goulding

Stage 4
– Columbia Steel製コーンクラッシャー – EDEM™による破損のモデリング – アルテア EDEM アプリケーションエンジニア Ignacio Diez Alonso
– EDEM Analystにおける連続体解析の紹介-アルテア EDEM 製品マネージャー Mark Cook

農業機械用タイヤとして、従来の標準ラジアルタイヤよりも高い柔軟性を持つ低地圧タイヤ（LGP）が最近発売されました。この低地圧タイヤは、従来の標準ラジアルタイヤよりも垂直荷重が20～40％大きく、軟弱地盤での接地面積が大きく、土壌圧縮を低減し、牽引力と作物収量の可能性を向上させる可能性があるようです。変形しやすい土壌と柔軟なタイヤ要素との間の複雑な土壌-タイヤシステムのため、動的システムモデリングとコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）ソリューションを十分に活用して、土壌圧縮を低減したエネルギー効率の高いトラクションを開発するためのオフロード車モビリティシステムの仮想設計と製品検証を加速することは困難な状況となっています。タイヤと土壌の3次元的な相互作用、牽引力、土壌圧縮を予測するための離散要素法（DEM）のような高忠実度の計算手法のために、土壌とタイヤの接触界面の類似性スケーリング則と土壌モデルを開発する方法について紹介します。Bekker-Reece土質モデリング技術とDEM土質特性の関係を確立し、低・高タイヤ空気圧での運動抵抗比と轍深さの予測に適用した。2つのタイヤ空気圧設定における予測されたMRRは、Soil Machine Dynamics Laboratory (SDML)におけるシングルタイヤ試験データと比較しました。

設計の検証、および真空ロードスイーパー製品の性能の検証は、完全な製品テスト中の変数の制御に関する実験的な問題にさらされることが多いものです。Bucher Municipal社は、新しい手法とシステムを革新するために、設計プロセスにシミュレーションを組み込んでいます。現在では、HyperWorks® CFD / AcuSolve®、EDEM™といったAltairのシミュレーションツールを使い始め、複雑なマルチフィジックス問題の仮想検証を可能にすることで、変数の制御とより良い設計の実現に役立てています。このプレゼンテーションでは、設計および検証／妥当性確認プロセスの一環として、真空ロードスイーパーの世界から、流体と離散要素法の連成シミュレーションの実行可能性について紹介します。

今回、アスファルトと骨材の関連パラメータを校正して対応する粒子モデルを構築し、CFD法を用いて骨材粒子間のアスファルトの物質移動過程を計算し、小さな混合トルク校正を組み合わせてアスファルトの物質移動に適したシミュレーションモデルを開発した。この物質移動モデルを用いて、混合機の混合効果や混合均一性を検討し、後段の混合機の翼定数を最適化するための基礎を築いた。

ダンプトラックは、主に粒状体である骨材を扱い、積み込みと積み下ろしを繰り返す装置です。そのため、骨材による磨耗が頻繁に発生する環境です。15トンダンプのユーザーは、車両の耐摩耗性能に不満を持っています。ほとんどのユーザーが購入後に耐摩耗性能を向上させる補強を行っています。現代ダンプトラックの耐摩耗品質を向上させることで、顧客の信頼を得る必要があり、そのためには最適な補強板設計が必要です。今回、鋼板の摩耗特性を骨材で確保し、それを応用した離散要素法シミュレーションモデルを作成しました。実車の摩耗分布と骨材のダンピング挙動の実測値を比較し、シミュレーションモデルの整合性を検証しました。そして、骨材による摩耗現象を予測することで、補強板の設計に必要な板厚を提案します。

クボタは、人々の暮らしに欠かせない「食」「水」「環境」の3つの分野で製品開発を進めています。食の分野では、土を耕すトラクターや作物を収穫するコンバインなどを開発し、農業の効率化・安定化に貢献しているクボタ。近年は、製品開発の効率化を図るためデジタル開発に注力し、車両本体の性能だけでなく、土壌や作物の挙動を評価する解析技術の高度化にも取り組んでいます。土壌や作物の表現にはAltair® EDEM™を使用しており、その活用事例を紹介します。

15:10-15:30は、メインステージにて「Altair EDEMの新機能」セッションを放送します。

鉄鋼業界におけるAltair® EDEM™の使用例として、焼結炉と高炉の2つのアプリケーションをご紹介しています。シミュレーション結果は、それぞれの構成におけるパイロットスケールの実験データで検証されています。

最初のアプリケーションは、凝集性の高い粒状材料を扱う必要がある焼結フィーダー装入システムからの偏析問題のDEMモデリングについてです。弾塑性・粘着性接触力モデルは、実験的試験と比較したせん断試験シミュレーションにより校正されます。次に、このモデルをパイロットスケールの装入装置に実装した。焼結フィーダの出口において、シミュレーションの結果、モデルはパイロット実験で測定された垂直方向の粒度分布を定性的に再現することが示された。また、偏析に対する流量の影響も実験データと定性的に一致した。供給装置内の粒状流の解析は、材料挙動のより良い理解と焼結プロセスの最適化をもたらします。

2つ目は、EDEMとFluentを用いたCFD-DEMシミュレーションによるパイロットスケール高炉のレースウェイのモデル化です。高炉での入炉は、入炉の前にレースウェイを形成します。このレースウェイの形状や進化については、現在も議論が続いています。我々は、モデリングアプローチの検証のために、観測とデータを有するパイロットスケールの高炉のシミュレーションを行いました。シミュレーションの結果、レースウェイを安定化させるためには、CFD-DEM法において凝集力を加える必要があることがわかりました。凝集力を加えたCFD-DEMで燃焼を模擬した単純な消費モデルを提供し、実験で観測されたような連続したレースウェイの崩壊を収集できます。レースウェイパラメータに及ぼすガス流量の影響について、パラメトリックな研究を行いました。

バルク材料のハンドリングおよび処理プラントの信頼性の高い設計と運用は、複雑な形状や、湿潤・粘着性のあるバルク固形物のような扱いにくい材料を扱う場合に困難となることがあります。鉱山会社やエンジニアリング会社は、サイクル寿命と稼働率を最大化するために機器設計を最適化し、運用コストを削減するよう、ますます圧力を強めています。多くの場合、バルク固形物の処理特性の悪化により、鉱山作業の効率と生産性を向上させるためにプラント機器の変更が必要となります。

バルク材料の流れの詳細な設計と分析の不足は、最適でない性能につながり、起動の遅れ、予定外のダウンタイム、処理能力の低下、メンテナンスコストの増加から、かなりの財務的コストが発生する可能性があります。これらの問題は、設計時の不正確な特性評価、不適切な仮定と外挿、粒子の軌道と速度の誤算、複雑な動的設計による材料の流れを徹底的に可視化および解析するエンジニアリングツールの不足が原因で発生することがあります。

離散要素モデリング（DEM）は、設計サイクル全体を通して搬送装置の性能を仮想的に試作・試験するために使用される強力なシミュレーション手法です。DEMを正しく開発し適用することで、従来の解析手法を超える性能への洞察を得ることができます。

本講演では、エンジニアが粒子シミュレーションツールの力を活用する方法を探ります。これには、校正済みDEM材料モデルやマルチフィジックス機能の開発による運用コストの削減、およびシミュレーション主導の設計ツールがマテハンシステムの設計と運用を最適化するために果たす役割についての検討が含まれます。

タタ・スチールでは、製鉄用として年間数百万トンの焼結鉱を扱っています。現在、この焼結体のかなりの量がハンドリング中に微粉末となり、リサイクルする必要があります。この微粉は、主に工場から高炉までの焼結体を搬送する際に、搬送シュート内で発生します。粒子同士の衝突や壁面への衝突が繰り返されることにより、粒子の表面や胴体が破壊され、微粉が発生する。本研究では、焼結製品の詳細な破砕モデルのキャリブレーションと、高さ14mの工業規模の複雑なシュートシステムに加えて、実験室の簡単なハンドリングシステムで離散要素法（DEM）を用いたシミュレーションによるモデルの検証を実施した。本格的な検証では、市販のソフトウェア（Altair EDEM）を用いたシミュレーションによる搬送シュートの排出ベルトにおける原料の最終的な粒度分布を、工業調査の結果と比較し、妥当な一致を確認しました。シミュレーションの詳細な解析により、既存のシュート設計の問題点を特定することができ、DEMがシュートシステム内の流れだけでなく、焼結体ハンドリング時の破損や微粉生成の予測にも有効であることが示されました。

粒子破壊のモデリングにおける最近の進歩は、マイクロスケールの人口バランスモデル（PBM）と離散要素法（DEM）に加えて、DEMを用いた取り扱い中の機械的劣化に加えて、破砕および粉砕操作のシミュレーションを可能にします。アプリケーションの種類によって、DEMに組み込まれた破損や、特別に処方されたPBMを使用した破損の記述など、異なるアプローチを使用することができます。これは、破断確率、エネルギーに依存する破断片の分布、応力負荷の失敗による弱化に加えて、破断の異なるモード（本体または表面）を記述する一連の数学的方程式で、すべてベンチスケール実験に基づいて較正されています。シュート、ボールミル、攪拌機、クラッシャーの劣化シミュレーションに適用した例も紹介されています。

15:10-15:30は、メインステージにて「Altair EDEMの新機能」セッションを放送します。

近年、製薬業界では粉体の連続混合に大きな関心が集まっている。  しかし，経口固形製剤の製造工程の多くは，原料の混合をバッチ式で行っているのが現状である．  この研究では、アセトアミノフェン製剤を用いた較正済みDEMシミュレーションと実験により、ビンブレンディング性能/ブレンド均一性の包括的な評価について説明します。  ビンのスケール、回転速度、粉体充填レベルなど、さまざまなプロセス条件を検討しました。  オンラインNIRや粉体混合サンプルのオフラインNIRなど、さまざまな混合性能の評価技術を利用しました。  これらの結果は、DEMシミュレーションによる仮想粉体サンプルや、DEMシステム全体の混合指数と比較されます。  プロセスパラメータとサンプリング/分析方法が観察されたブレンド性能に与える影響に関するいくつかの重要なポイントについて説明します。

微粒子を含む医薬品の製造プロセスにおいて効率と信頼性を達成するためには、実験だけでは得られないミクロおよびマクロの基本的な力学的洞察が必要です。このような背景から、離散要素法（DEM）や数値流体力学（CFD）などの数値解析手法は、マクロおよびミクロスケールでのプロセス力学の深い理解をもたらし、プロセスの仮想最適化を直接行うために使用できる大きな可能性を持っています。本講演では、Novo Nordisk社におけるDEMおよびCFD-DEMモデリングの活用について、医薬品製造プロセスの2つの基本コンポーネントである空気輸送と打錠に焦点を当てながら説明します。

粒子状製品は産業界で広く利用されているが、造粒や粉砕などの製造工程はまだ十分に理解されていません。これは主に、粒子-粒子および粒子-流体の相互作用現象を含む典型的な粒子系が複雑であることに起因しています。このような粒子系のモデリングは、粒子プロセスを支配する現象に対する洞察を得るための強力な手段として、ますます一般的になってきました。しかし、現実を効率的な計算モデルに変換することは依然として課題です。

本発表では、デジタルモデル作成のための汎用フレームワークを開発し、産業界が効率的な最新モデルを実装できるようにするための産学連携プロジェクトについて、ツインスクリュー造粒を例にとって説明します。マルチスケールモデリングアプローチを採用し、離散要素法（DEM）を用いて粒子スケールの物理量を提供し、人口バランスモデル（PBM）を用いてプロセススケールに情報を提供します。

フレーバーデリバリーシステムは、コーヒー、紅茶、粉末清涼飲料、チューインガムなどの食品用途に広く使用されており、揮発性フレーバーを保護し、特定のトリガー（例えば、溶解）に応じて消費者用途に提供します。これらのフレーバー粒子は、湿度や温度の上昇に対して安定であることが重要であり、理想的には流動助剤の助けを借りずに優れた流動特性を持つことが必要です。

この応用研究では、離散要素法モデリングを適用して、球状粒子の流動と混合挙動をシミュレーションし、これらのフレーバー製品の加工をシミュレートします。実験的には、さまざまなフレーバー粒子について、静的安息角と動的安息角の両方の測定を実施しました。特に、1～50rpm程度の回転ドラム内での流動特性に対する粒子径の影響に注目しました。測定とシミュレーションの一致を比較しました。このアプローチにより、このオレンジフレーバー製品のバルク特性を予測することができます。また、例えばコーヒーや紅茶とブレンドしてフレーバーの均一性を確保するなど、クライアントの最終製品におけるこれらのフレーバーの挙動を予測するために使用することができます。

薬を医薬品として開発することは、困難で時間のかかる事業です。特に、医薬品の製造プロセスを開発から生産規模に移行することは例外的に重要であり、時には大規模なスケールでしか発生しないような、予期せぬ問題を伴うこともあります。さらに、材料特性の変化は加工性に大きな影響を与えますが、特定の変化の重要性を容易に予測できないことがよくあります。いずれの場合も、DEMは医薬品開発中のある観察結果に対する洞察や根本原因の特定に役立つことが証明されています。

15:10-15:30は、メインステージにて「Altair EDEMの新機能」セッションを放送します。

軟弱土のモビリティモデリングは、主に利用可能な土とそれに対応するタイヤモデルの限界により、オンロードモビリティモデリングに遅れをとっています。Pratt Millerは、AltairのEDEMおよびMotionSolveチームと共同で、画期的な軟弱地盤モビリティシミュレーション能力を開発しました。EDEMの最先端のDEM土壌モデリングソリューションと、新しい柔軟な空気入りトレッドタイヤモデル、PM-FlexTireを組み合わせることで、PDプロセスの初期段階で仮想開発によって可能なことを拡張することが可能になりました。これにより、軟弱地盤のユースケースを持つモビリティプラットフォーム開発の初期段階におけるプロトタイプの必要性を制限または回避することができます。Pratt Millerは、PM-FlexTire/EDEM/MotionSolveソリューションの概要と、HPC環境向けのLinuxポーティング、多くのケースで解析時間を40%以上短縮するCPU-GPUカップリング、PM-FlexTireシミュレーション結果用のポスト処理ユーティリティなどの最新開発について簡単に説明します。

世界的に再生可能エネルギーの需要が増え続けているため、効率的なエネルギー貯蔵技術の開発が非常に重要となっています。リチウムイオン電池の電極など、エネルギー貯蔵システムには粒子状の材料が一般的に使用されています。このプロジェクトでは、離散要素法（DEM）シミュレーションを用いて、リチウムイオン電池の電極のカレンダー処理過程を調査しています。DEM、X線コンピュータトモグラフィー、電気化学分析を組み合わせることで、電極の機械的および構造的特性を調査しました。また、微小な粒子スケールでの詳細な応力と構造の変化を解析しました。本研究は、次世代電池の電極製造・設計をデジタル化する上で、非常に有望な方法を提供します。

近年のコンピュータの性能向上により、離散要素法（DEM）を用いて多くの粒子の挙動や熱伝達のシミュレーションが可能になりました。しかし、産業界における大規模な装置の場合、多くの粒子を必要とするため、DEMによる粒子挙動や伝熱のシミュレーションはまだ困難です。この問題を解決するために、我々は新たにModified Coarse-grained method for Granular Shear Flow（M-CGSF）と名付けた粗視化手法を開発しました[1]。本研究では、ロータリーキルンの一部であるスライスドラムを対象に、M-CGSFの検証試験を実施した。その結果、M-CGSFを適用したDEMシミュレーションにより、粒子挙動および熱伝達が元のケースと一致することが確認されました。

[1] M. Saruwatari, H. Nakamura, Chem. Eng. J. 428 (2022) 130969

高性能かつ低コストの電池は、様々なアプリケーションにおいて重要な機能となっており、気候保護目標を達成するために不可欠なものとなっています。エネルギー密度とコストの目標を達成するために、電池の生産には大幅な改善が必要です。電池の製造プロセスチェーンは、材料特性や電極組成に大きく影響される多くの連続したプロセス工程で構成されています。そのため、生産工程が電池セルに与える影響を深く理解し、電池生産工程が満たすべき特別な要件を決定することが極めて重要です。離散要素シミュレーションを作成することで、プロセスをミクロン単位で観察することができ、プロセスパラメータと電池電極の微細構造の形成の多重相関を説明することができます。離散要素モデルは、電極の機械的および電気化学的特性に大きな影響を与え、体積エネルギー密度と性能を決定するカレンダー処理プロセスのプロセスパラメータを予測するために使用されます。本発表では、カレンダリングプロセスのパラメトリゼーションとモデリングについて説明し、その後、DEMモデリングが電池製造のシミュレーションに使用される見通しを示します。

インドのセメント業界は、2030年までに石炭の25％を代替燃料（AF）で置き換えることを目標としています。しかし、インドで利用可能なAFは、それぞれ異なる特性を持っており、1つのシステムで複数種類のAFを取り扱うことは困難です。しかし、AFを扱う設備に関する技術的なノウハウは確立されていますが、搬送シュートを使ってある設備から別の設備へ材料を移す際、シュートがAFの特性や設備の運動パラメータに合わせて設計されていないと、ジャミングの問題が発生する可能性があります。搬送シュートの設計は見落とされがちで、シュート内の堆積、閉塞、摩耗につながります。本発表では、DEMアプリケーションを活用し、様々な種類の代替燃料を扱う際の搬送シュート設計の正しいアプローチについて説明します。

15:10-15:30は、メインステージにて「Altair EDEMの新機能」セッションを放送します。