EDEMの粒子挙動再現およびばね構造表現に関する質問

Armstrong · 2025-05-07T11:33:42+00:00

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現在，大学院の修士研究用途としてEDEMを1年間契約し，小型ドローンの着陸脚に粒状ダンパを取り付けた構造を対象に，着地時の挙動解析を行っております．

具体的には，機体をFreeCADでモデリングし，EDEMにParticle(粒子)として、インポートしたうえで，さらに粒子を内部に配置することでダンパ機構を構成しております．着陸脚の形状は円柱であり，平坦な地面に着地させる形でシミュレーションを実行していますが，離散要素法において角張った物体同士の衝突で適切な接触挙動が得られるかどうか疑問を抱いております.

また，コイルばねをEDEMでどのようにモデル化するか（あるいは代替手法があるか）についてもなにか方法がありましたらアドバイスをいただきたいです．

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EDEM

Accepted answers

Stephen Cole

Hi,

I'm not sure if EDEM is the best solver for modelling springs, however you can create a meta-particle structure bonded together in a spring.

https://help.altair.com/edem/topics/creator_tree_bulk_material/creating_and_defining_meta_particles_t.htm?hl=meta

https://community.altair.com/discussion/39729/edem-tutorial-19-bonded-metaparticle-spherocylinder

Or you could look at something more like:

https://www.youtube.com/watch?v=FRXxPoGXIqQ

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Stephen Cole

Hi,

I'm not sure if EDEM is the best solver for modelling springs, however you can create a meta-particle structure bonded together in a spring.

https://help.altair.com/edem/topics/creator_tree_bulk_material/creating_and_defining_meta_particles_t.htm?hl=meta

https://community.altair.com/discussion/39729/edem-tutorial-19-bonded-metaparticle-spherocylinder

Or you could look at something more like:

https://www.youtube.com/watch?v=FRXxPoGXIqQ

tkawano

アルテア河野です。

>EDEMにParticle(粒子)として、インポートしたうえで，さらに粒子を内部に配置することでダンパ機構を構成しております．着陸脚の形状は円柱であり，平坦な地面に着地させる形でシミュレーションを実行していますが，離散要素法において角張った物体同士の衝突で適切な接触挙動が得られるかどうか疑問を抱いております.

EDEMはジオメトリ間の接触計算は実施していないので、"角ばった物体同士"というのがCADで作成したジオメトリ間の接触を指しているのであれば、適切に得られる以前の問題としてそもそも計算できないことになります。あくまでジオメトリと粒子の接触計算のみ実施します。もしジオメトリ間の接触を計算したい場合はMBDとのカップリング計算が必要になるので、アルテア製品であればMotionSolveとのカップリングシミュレーションを検討ください。次のご質問にある

>コイルばねをEDEMでどのようにモデル化するか（あるいは代替手法があるか）についてもなにか方法がありましたらアドバイスをいただきたいです．

についても、コイルバネという概念を基本的にはあまりEDEMで採用することができないので、こういった機構体の計算についてはEDEM以外での適用を検討頂くほうがよいかと思います。

Armstrong

アルテア河野様

ご丁寧なご回答ありがとうございます．

ご指摘いただいた「角ばった物体同士の接触」についてですが，私のシミュレーションでは，CADで作成したおもり＋シャフト＋容器はすべて「Particle（粒子）」としてインポートし，落下させています．地面だけはジオメトリとして設定しており，粒子群が詰め込まれた容器を自由落下させて地面に衝突させるという構成です．

そのうえでお聞きしたいのですが，

このような粒子構成体（※画像のような構造）を自由落下させて衝突後のバウンド挙動などを適切に再現したい場合，MotionSolveとEDEMを連携させることで実現可能でしょうか？

もしくは，より適した組み合わせ（他Altair製品）などがあれば，アドバイスいただけますと大変助かります．

今後のシミュレーション方針を検討する上で参考にさせていただきたいと思っております．

よろしくお願いいたします．

tkawano

EDEMは狭義では粒子法ではないので、ジオメトリが剛体として取り扱うのであればあまり粒子で表現することは適切ではありません(DEM=離散要素法なので、離散体たる粉体しか表現できません)。そのため提示頂いている絵の中では"Particle"以外は粒子として取り扱うことは推奨できません。

Particle以外の構成要素についてはバネ以外は剛体と取り扱うことが許容されると見受けましたので、バネ含めてMBD(Multi Body Dynamics)で行うことが適切と判断します。詳細についてはMotionSolve等のMBDソフトウェアをご参照頂くのがよいかと思いますし、そちらの知見ある方に意見を求めて頂くのもよいかと思います。おそらく私が本課題に取り組む場合は

①MBDで粒子無しの状態でシステムを組み、適切に動作することを確認する

②EDEMの粒子だけで計算を行ってEDEMのパラメータをチューニングする

③MBDとEDEMのカップリングシミュレーションを実施する

といった順で進めると思います。

Armstrong

河野様

お世話になっております．

MotionSolveについては自分なりに調べた上で，EDEMとのカップリングに関して以下の2点についてご相談させていただきたいです．

1点目は，MotionSolveで構築したばねの動き（圧縮や復元）をEDEM側にどのように反映できるのかという点です．

私が調べた限りでは，MotionSolveで計算された剛体（ばねを含む）の運動結果のみがEDEMに渡され，EDEM側ではその剛体の運動を「動的壁」として扱う形になると理解しております．

ただし，今回検討している機構では「粒子が押し返すことでばねが圧縮される」という双方向的な力の関係が成立することを期待しているため，ばねの動作そのものがEDEM内部でも再現される必要があるのではないかとも感じています．この点についてご見解をいただけますと幸いです．

2点目は，最終的に機構内にハニカムクラッシュ材を組み込みたいと考えており，これが潰れるような挙動（座屈・塑性変形を含む）を，EDEMとMotionSolveのカップリングのみで再現できるのか，それとも別途FEM系のツールなどを併用する必要があるのかについて，ご意見を伺えればと思っております．

tkawano

EDEMとMotionSolveをカップリング計算を行う場合、MotionSolveからは認識されているように剛体壁からの運動を粒子に伝えますが、EDEMからMotionSolveへは剛体壁に対する反力という形で返すことになります。絵で言えばCompression BoardがParticleを押す、というのが粒子と機構体における直接的な力のやり取りになるかと思いますが、MBDでCompression Boardの変位をコントロールし、その際Particleとの接触によって得られる反力をEDEMで計算して、その反力を加えた状態でMBDが機構体のやりくりを再計算する、という流れになります。双方向のやり取りは実施しているので、あまり問題は生じないのではないかと考えています。

塑性変形についてはFEMとのカップリングになりますが、機構体のバネなどの影響も考慮するとなるとMBDも必要になり、この場合3ソルバーカップリングは不可ですので実現は困難です。変形体が粒子の挙動に影響を与えないのであれば片方向連成を行うことで目的は達成します(EDEM→FEM)ので、おそらくそういった何らかの仮定や簡易化が必要になるものと思われます。

Armstrong

河野様

お世話になっております．

前回に引き続き，ご相談させていただきたいことがございます．

私としては，EDEMとMotionSolveを連成させることで，機構全体（前回送らせていただいた画像です）の挙動を再現する方向で検討しておりますが，教授からはMATLABとの連携で可能ではないかというご助言をいただいております．私的には，MotionSolveとの組み合わせることによって視覚的にもわかりやすく新たな問題に直面することも少ないと思っているのですが，ほかになにかメリットや利用するにあたってのお値段などを教えていただきたいです．

また，私が現在想定している機構は，「内部の球体が変形することにより，シャフトが下方に移動する」という構成となっております．このような変形を伴う挙動を，EDEM内で再現することはやはり難しいと考えるべきでしょうか？

塑性変形に関しましては，EDEM単体では限界があるため，MATLABを併用して外部的に変形挙動を再現・補正する方向で対応を検討しております．

お忙しいところ恐縮ではございますが，何かお気づきの点や改善の方向性などございましたら，ご意見・ご助言をいただけますと幸いです．

何卒よろしくお願いいたします．

tkawano

>私的には，MotionSolveとの組み合わせることによって視覚的にもわかりやすく新たな問題に直面することも少ないと思っているのですが，ほかになにかメリットや利用するにあたってのお値段などを教えていただきたいです．

MatlabとMotionSolveを比較した際の差異についてはEDEMのエンジニアとしてはなんともお答えが難しいです。あくまでEDEM側から見た時に他の剛体機構の動作はEDEMでは計算ができないためにカップリング計算が必要であり、その際のソフトウェアはEDEMとシステム的な結合がされていれば特にどのソフトでないといけない、ということはありません。費用的にはMotionSolveはEDEMが利用できていればここから追加の費用は発生しません。また同じアルテア製品なので何かしらシステム的なトラブルが発生した際にアルテアエンジニアのみで問題解決が可能ということは運用的なメリットではあるかと思います(Matlab SimLinkとのカップリングはEDEMで可能ですが、その計算で何かトラブルがあっても我々はEDEMのことしか検証ができませんし、逆にMatlabベンダーさんもEDEMのフォローはできかねると思います)。

「内部の球体が変形することにより，シャフトが下方に移動する」という構成となっております．このような変形を伴う挙動を，EDEM内で再現することはやはり難しいと考えるべきでしょうか？

変形というのが例えば粒子の塑性変形のことを指しているのであれば、これは接触モデルの選定で達成できます。見た目としてはHard Sphereなので粒子同士がめり込むように見えていますが、変形は粒子同士の重なり量で評価しているので嵩高さの変動などはこういった接触モデルの選定で調整することは可能と言えます。

Armstrong

セミナー対応のためご返信が遅くなってしまい，申し訳ございません．

現在，MotionSolveを用いたモデル構築を進めており，実際にシミュレーションを試しながら動作の確認を行っております．また，粒子の変形に関しましても試してみようと思っております．

なお，現時点では特に追加の質問はございませんが，また何かございましたら改めてご連絡させていただきます．

引き続きどうぞよろしくお願いいたします．

Armstrong

現在，MotionViewを用いて衝突吸収機構のシミュレーションモデルを構築しており，シミュレーション結果を確認しながら，減衰や接触力の挙動を検証しています．

ご相談したい点

① ゴムシート（SGNB）とアルミ合金容器の接触設定について

質量(約３ kg)を持つ構造体が0.5 m高さから落下し，SGNB製のゴムシートに着地（着地面は）する構成です．接触対象はSGNBゴムとA6016-T6相当のアルミ容器で，ゴムは固定，容器側は落下側です．MotionViewの Contact 機能を用いて，Impactモデルにより接触を定義しています．

ご相談内容：

このような「ゴムとアルミ合金の接触」において，StiffnessやDampingなどの設定値をどのように決定・調整していくべきか，MotionSolve上での設計方針や推奨される手順などがあればご教示いただけますでしょうか．

② ピアノ線ばねの設定について

現在，ばね定数はピアノ線の仕様に基づいて決定していますが，ばねの挙動を確認すると適切な値ではない気がして，シミュレーション結果を見ながら手動で調整している状況です．

ご相談内容：

MotionView／MotionSolveでばねのパラメータを設定する場合，どのように決めていくべきか，設計上の考え方やバランスの取り方についてアドバイスをいただけますと幸いです．

お忙しいところ恐縮ですが，ご確認のほどよろしくお願いいたします．

tkawano

MotionSolveのご質問にお見受けしたので、他のエンジニアが気づきやすいように改めて新規にて本質問を立項されることをお勧めします。私も申し訳ありませんが本質問に回答できる知見を持っておりません。

Armstrong

ご返信ありがとうございます．
本件，MotionSolveに関する内容であったとのご指摘，承知いたしました．別トピックとして改めて投稿させていただきます．

なお，少しご相談なのですが，離散要素法（DEM）は粒子同士の衝突や接触挙動をモデル化するものであり，粒状ダンパに適用する場合，粒子材料自体の減衰特性（例えば内部損失など）をうまく表現できないのではないかと感じております．材料そのものがエネルギーを吸収するような挙動をシミュレーションに反映させるには，どのような工夫が考えられるか，もし何かご助言等いただけることがあれば，大変ありがたく存じます．引き続きどうぞよろしくお願いいたします．

tkawano

EDEMにおける接触モデル(Physicsで設定するもの)の選定にも依りますが、例えばデフォルトで設定されているHertze-Mindlinモデルですと非線形バネ-ダッシュポッドモデルになるので、減衰としては考慮されているように思います。例えばParticle-Particleの反発係数などの調整で粒子同士の反発の度合が調整できるかと思いますので、その辺りで一度様子を見てみるのも一案かと考えます。