DEM — CAE用語解説

FEMは「連続体（固体・流体）」を離散化する手法だが、DEMは「粒子の集合体（砂、粉、石炭、タブレット等）」を一粒一粒の剛体として扱う手法だ。各粒子の運動をNewton第2法則（ma = F）で追跡して、粒子間の接触をバネ-ダッシュポット-摩擦モデルで表現する。「砂の崩壊、粉体の充填、石炭の破砕」——連続体として扱えない粒状体の問題がDEMの独壇場だ。ただし1億粒子を超えると計算コストが爆発するから、GPUによる超並列計算が実用上不可欠になる。

接触力の計算に使うHertz-Mindlin接触モデルが業界標準だ。法線方向にHertz弾性接触（F_n = k_n * delta_n^1.5）、接線方向に非線形弾性+Coulomb摩擦（F_t <= mu * F_n）を与える。パラメータはヤング率E、ポアソン比nu、静摩擦係数mu_s、転がり摩擦係数mu_r——これらを砂や顆粒の実験（圧縮試験、角度安息角試験）でキャリブレーションする。安息角（Angle of Repose）がシミュレーションと実験で一致しているか確認するのが基本的なDEMモデルの検証方法だよ。

流体中を粒子が流れたり浮遊したりする問題（スラリー輸送、流動床反応炉、空気中の粉塵）をCFD+DEMで解く手法だ。CFDで流れ場（OpenFOAM等）を計算しながら、各DEM粒子に流体抵抗力（Drag）を加えてParticle-Fluid相互作用を表現する。OpenFOAMとLIGGGHTS（OSSのDEMコード）のCFDEM CouplingというOSSがこれを実装している。医薬品製造のタブレット流動コーティング、石油・ガスの多相流パイプラインの粒子輸送評価に使われる。

①製薬：錠剤造粒・コーティング・充填の粉体プロセス設計（GEA、Glatt等）——粒子形状とコーティング均一性のシミュレーション。②鉱山・資源：ボールミル（鉱石粉砕機）の粉砕効率最適化、ベルトコンベアの設計。③農業機械：コンバインの脱穀・選別部での穀粒挙動。④建設：コンクリートミキサーの骨材分布評価。専用ソフトにはEDEM（Altair）、StarDEM（Siemens）、ROCKY DEM（Ansys）がある。ROCKYはGPU並列が強く大規模粒子問題で使われることが多いよ。