前言
在颗粒离散元仿真中，材料参数和接触模型的合理设定是保证结果准确性的关键。本案例以 EDEM 软件为平台，结合 GEMM 数据库中的典型参数，演示了一个颗粒在容器中生成、堆积并通过邦德键模型形成块体的完整过程。通过逐步完成单位设置、颗粒材料定义、设备材料赋值、几何体建立、颗粒工厂生成以及物理模型修改等环节，最终实现了颗粒块体在受力作用下的稳定堆积与断裂行为。本案例不仅展示了 EDEM 的基本操作流程，还强调了在工程应用中常见的几个易错点，例如单位体系不统一、接触模型未切换、时间步长设置不当等问题，为后续进行复杂颗粒系统的研究与仿真提供了可操作的参考和实践经验。
1、设置单位
第一步需要先调整项目的单位，这一步非常关键，因为后续输入的几何尺寸、材料参数和物理量都必须和统一的度量体系保持一致，否则会出现数值偏差甚至仿真错误。在 EDEM 界面中点击菜单栏的 Options → Units 打开单位设置窗口，将 Length（长度） 设为毫米 mm，Mass（质量） 设为千克 kg，Time（时间） 设为秒 s，Force（力） 设为牛顿 N，Stress（应力） 设为帕 Pa，设置完成后点击确认即可。这样项目中涉及的所有数据都会按照这一体系进行计算，比如几何体的尺寸要输入成 mm，材料密度则要以 kg/m³ 表示，力学参数也会自动对应到帕的量级。需要特别注意的是，如果单位设置错误，就可能导致颗粒出现悬浮、飞散或穿透几何体的情况，因此建议在每次新建项目时都先完成这一操作，确保后续步骤能够顺利进行。
2、Bulk Material（颗粒材料）
新建颗粒材料并建立颗粒实体，这里需要先在 Creator Tree 左侧菜单中右键点击 Particle Material → New，为颗粒材料输入一个合适的名称，方便后续识别和调用，接着在 Insert Particle 中选择颗粒的几何形状，比如常用的 Single Sphere（单球），同时可以在下方参数栏中调整颗粒的尺寸和力学特性，主要包括接触半径、物理半径和黏结作用等数值，这些参数决定了颗粒在仿真中的实际大小和相互作用方式，调整后在右侧三维窗口中会实时显示出颗粒的外观。需要注意的是，接触半径和物理半径的差值会影响颗粒之间的重叠与碰撞精度，而黏结参数则会直接关系到颗粒能否形成块体，因此在输入时应结合实验数据或参考 GEMM 数据库提供的合理范围进行设置，确认无误后就可以保存，完成一个基础颗粒的定义。然后在properties这个界面计算即可。
3、设备材料（Equipment Material)
在完成单位设置之后，第二步是新建颗粒材料并建立颗粒实体，这里需要先在 Creator Tree 左侧菜单中右键点击 Particle Material → New，为颗粒材料输入一个合适的名称，方便后续识别和调用，接着在 Insert Particle 中选择颗粒的几何形状，比如常用的 Single Sphere（单球），同时可以在下方参数栏中调整颗粒的尺寸和力学特性，主要包括接触半径、物理半径和黏结作用等数值，这些参数决定了颗粒在仿真中的实际大小和相互作用方式，调整后在右侧三维窗口中会实时显示出颗粒的外观。需要注意的是，接触半径和物理半径的差值会影响颗粒之间的重叠与碰撞精度，而黏结参数则会直接关系到颗粒能否形成块体，因此在输入时应结合实验数据或参考 GEMM 数据库提供的合理范围进行设置，确认无误后就可以保存，完成一个基础颗粒的定义。
3.1、创建容器
在完成颗粒材料定义后，下一步需要为几何体设置设备材料并建立容器几何体，具体操作是：在左侧树状窗口中找到 Equipment Material，右键点击选择 Add Equipment Material，在弹出的界面中输入参数，将泊松比设置为 0.3，密度设置为 7800 kg/m³，剪切模量输入 7e+10 Pa，接触参数保持默认即可，通常为 0.5、0.5 和 0.01；完成后保存即可。随后切换到 Geometries，右键点击选择 Add Geometry → Box，在工作区间生成一个长方体几何体，这个 Box 就是后续颗粒的容器，可以通过拖动或输入数值调整它的长度、宽度和高度，使其符合仿真场景的要求。至此，设备材料与几何体容器的建立就完成了，颗粒后续将会在这个 Box 内生成并发生堆积和运动。
3.2 创建颗粒工厂
在容器几何体 Box 建立完成后，接下来需要在其中添加颗粒工厂来生成颗粒，具体操作是：在左侧树状窗口中找到 Particle Factories，右键点击选择 Add Factory → New Factory，系统会在树状列表下生成一个新的 Factory 节点，同时在右侧属性界面显示工厂的参数设置窗口；在这里首先选择颗粒类型为之前定义好的颗粒材料，然后在 Radius/Size 栏中设定颗粒的物理半径或直径，接着在 Number of Particles 或 Generation Rate 中输入生成颗粒的数量或生成速率，确保能在容器内填充到合适的堆积高度；还可以在位置参数里定义颗粒的投放区域，常见方式是以 Box 的上部空间为生成区域，让颗粒自由下落到容器底部。确认无误后，点击 Generate Particles 按钮，三维视图中即可看到黄色颗粒在 Box 内生成和分布，这样一个颗粒工厂的建立过程就完成了。
3.3、创建颗粒
在颗粒工厂设置完成后，就可以正式创建颗粒了。操作时先确保已经在 Particle Factory 中选择了之前定义的颗粒材料，并设置好颗粒的物理半径、生成位置和数量范围，然后在界面右下角点击 Generate Particles 按钮，系统会在几何体容器的上方区域自动生成颗粒并填充进去，这些颗粒在仿真开始运行后会在重力作用下逐渐下落并堆积到底部。如果前面已经设置了下压板（polygon + loading_plane 直线运动），那么在颗粒生成的瞬间，下压板会向下运动，将颗粒压紧到容器底部，从而提高堆积密度，加快形成稳定堆积体的过程。生成完成后，三维视图中会显示大量黄色颗粒随机分布在 Box 中，此时就完成了颗粒的创建与初始化步骤，可以进入后续的物理模型设置和仿真运行环节。
4、Physics（物理）
在完成颗粒工厂建立后，需要进一步进入物理界面对颗粒之间的接触模型进行修改，因为如果继续采用默认的 Hertz-Mindlin 接触模型，颗粒只会单纯发生碰撞与堆积，而无法形成块体。为此，需要在左侧的 Physics → Particle to Particle 下点击接触模型设置，在弹出的 Select Models 窗口中，取消勾选默认的 “Hertz-Mindlin (no slip)”，改为选择 Hertz-Mindlin with Bonding，同时确保勾选了 Bonding 模块，这样颗粒在相互接触时会建立类似胶结的键合关系。当外力不足以破坏键合时，颗粒群就表现为一个整体块体；而当外力超过极限时，键合会断裂，颗粒间分离，从而真实再现材料的破碎过程。这个环节是案例三的核心，只有正确切换到带邦德键的模型，才能保证仿真中出现颗粒成块、受力后开裂的现象，从而体现出块体力学特性。
Simulator（求解）界面
在完成接触模型的修改后，还需要在仿真设置中调整时间步长（Time Step），这是保证计算稳定性和结果准确性的关键参数。通常来说，时间步长范围可以设置在临界值的 10%～30% 之间，如果仿真过程中出现颗粒穿透几何体或者颗粒之间穿模的情况，就需要将时间步长调小一些，例如由 30% 调整到 20% 或 10%，这样能显著提高接触计算的精度，避免数值不稳定。完成时间步长的设置后，就可以启动仿真，颗粒会逐渐下落并堆积到底部形成块体。随后进入后处理界面，在 Geometries 中将两个容器几何体隐藏，这样三维视图中只会显示颗粒本身以及键合关系，便于观察颗粒堆积和键合破坏的真实情况。
总结
在本案例中，我们完整演示了如何利用 EDEM 的 GEMM 数据库与建模工具，完成一个带邦德键的颗粒块体仿真。整体流程可以分为以下几个关键环节：
首先，要在 Options → Units 中统一度量单位，这是所有操作的前提条件，如果单位设置错误，后续输入的尺寸、密度、力学参数都会出现数量级偏差，直接导致仿真结果异常。
随后，在 Particle Material 中新建颗粒材料，定义名称并设置物理参数，如颗粒密度、半径、接触半径等，这些决定了单个颗粒的体积和质量。颗粒质量的计算公式为 $m = \rho \cdot V$，其中 $\rho$ 为颗粒密度，$V$ 为体积。接着建立颗粒工厂（Particle Factory），设定颗粒的生成区域、数量和投放方式，确保颗粒能够在容器内填充。
在设备材料（Equipment Material）部分，需要为几何体定义接触属性，设置泊松比 0.3、密度 7800 kg/m³、剪切模量 7e+10 Pa，接触参数保持默认值 0.5、0.5、0.01 即可。随后在 Geometries 中添加 Box 作为容器，用于存放和约束颗粒。为了加快堆积过程，还可以在几何体中额外添加一个 Polygon 板，并赋予直线下压运动（loading_plane），在颗粒生成瞬间将其压向容器底部，提高堆积密度。
在 Physics 中，接触模型必须由默认的 Hertz-Mindlin 修改为带键合功能的 Hertz-Mindlin with Bonding 或 Linear Bonding，这样颗粒在接触时会形成键合关系，能够整体表现为块体，并在外力作用下断裂，真实再现块体的破碎行为。这是案例三的核心环节，若继续使用默认模型，就无法体现颗粒成块的效果。
仿真参数设置中，时间步长（Time Step）需要特别注意，通常选择临界值的 10%～30%，如果发现仿真中颗粒出现穿透或数值不稳定，可以适当减小时间步长来提高精度。
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