Open-Source-DEM-Partikelsimulation
MUSEN ist ein Open-Source-Framework für die Diskrete-Elemente-Methode (DEM), das einzelne Partikelbewegungen, Kontakte und Mikroeffekte auflöst. Entwickelt für Multicore-CPU und GPU, mit industriereifen Simulationen von zig Millionen diskreter Objekte.
Open-Source unter BSD-Lizenz. Hauptentwicklung und Wartung bei DyssolTEC, mit Forschungswurzeln und fortlaufender Zusammenarbeit mit der TUHH.
Ein interaktiver Blick auf die Schleife der Diskrete-Elemente-Methode.
DEM verfolgt jedes Korn einzeln und bewegt die Szene in winzigen Zeitschritten voran. Drücken Sie Play, um zuzusehen, wie sich die Partikel setzen, oder aktivieren Sie „Details anzeigen“, um die vierstufige Schleife durchzugehen – Überlappungen erkennen, Kräfte berechnen, Bewegung aktualisieren, bewegen – samt zugrunde liegender Gleichungen und Live-Kontaktdaten.
Gebaut für mikroskalige Partikelphysik.
Engineering- und Forschungsteams greifen zu MUSEN, wenn Kontinuums- oder Shortcut-Modelle nicht auflösen können, was auf der Ebene einzelner Partikel passiert: Formeffekte, Kontaktmechanik, Bruch, Packung und mikroskalige Entmischung.
„Wie fließen Partikel durch meinen Trichter, Silo oder meine Schurre?"
Lösen Sie Strömungsregime, Brückenbildung, tote Zonen und Entleerungsdynamik mit expliziten Partikelkontakten und Wandgeometrie auf.
„Warum entmischt sich meine Pulvermischung beim Transport oder bei der Lagerung?"
Verfolgen Sie einzelne Partikeltrajektorien, um Mischqualität, Entmischungsmuster und den Einfluss von Größen-, Dichte- oder Formkontrasten vorherzusagen.
„Wie brechen Partikel in einer Mühle oder unter Last?"
Die Bonded-Particle-Methode bildet Rissinitiation, Rissfortschritt und Fragmentgrößenverteilung ab, für Mahl-, Schleif- und Strukturversagensstudien.
„Wie beeinflusst Vibration die Packungsdichte oder Entmischung in meinem Bett?"
Simulieren Sie vibrierte Schüttungen, den Beginn der Fluidisierung und die Umordnung der Packung mit voller mikroskaliger Auflösung.
„Unsere Partikel sind plättchenförmig, agglomeriert oder unregelmäßig. Spielt die Form eine Rolle?"
Multi-Sphere- und gebondete Cluster repräsentieren nicht-sphärische und zusammengesetzte Partikel für formsensitive Anwendungen.
„Mein Kontaktmodell ist kein Standard. Kann ich MUSEN erweitern?"
Open-Source-C++-Codebasis unter BSD-Lizenz. Kontaktmodelle, Partikelgeneratoren und Analysetools sind vollständig anpassbar.
Eine kompakte Referenz für Engineering-Teams, die den technischen Fit bewerten.
| Funktionsbereich | Was MUSEN bietet |
|---|---|
| Solver und Performance | Parallelisierter DEM-Solver für Multicore-CPU und GPU. Praxistaugliche Simulationen in der Größenordnung von 10 bis 20 Millionen diskreten Partikeln. |
| Partikelrepräsentation | Kugeln, Multi-Sphere-Cluster, gebondete Agglomerate und unregelmäßige Partikelformen durch Komposition. |
| Kontaktmodelle | Hertz–Mindlin, viskoelastisch, JKR-Kohäsion und beliebig erweiterbare Kontaktgesetze über die offene C++-API. |
| Bonded-Particle-Methode | Inter-partikuläre Bindungen für Bruch, Frakturierung und strukturelles DEM, etwa für Beton, Agglomerate und Verbundmaterialien. |
| Geometrieimport | Netzbasierte Wandgeometrie (STL) für Trichter, Mühlen, Mischer, Trommeln und kundenspezifische Apparatformen. |
| Ausgaben und Auswertung | Partikeltrajektorien, Kontaktkräfte, Packungsdichte, kinetische und Kontaktenergie, Zeitreihen-Export für die Nachbearbeitung. |
| Interface und Plattform | Plattformübergreifende GUI für Windows und Linux. C++-API für Batch-Automation, Skripting und Integration. |
| Lizenz | BSD-Open-Source-Lizenz, kostenlos für akademische, Forschungs- und kommerzielle Nutzung, einschließlich Modifikation und Weitergabe. |
Repräsentative DEM-Szenarien aus der MUSEN-Bibliothek und aus publizierten Arbeiten.
Jedes Beispiel soll Engineering- und Forschungsteams helfen, schnell einzuschätzen, ob MUSEN solver- und physikseitig zu ihrem Problem passt.
GPU-Performance
Engineering-Problem: Produktionsrelevante DEM-Simulationen sind durch die Partikelzahl begrenzt. Kleine Schüttungen verfehlen die Bulkphysik, große überlasten CPU-only-Solver.
Feature + Demo: Die GPU-Implementierung in MUSEN bewältigt zig Millionen Kontakte pro Zeitschritt, sodass Ingenieurinnen und Ingenieure physikalisch sinnvolle Partikelzahlen auf Workstation-Hardware rechnen können.
Granulatfluss
Engineering-Problem: Bei der Auslegung von Feststoffanlagen müssen Brückenbildung, Massen- vs. Kernfluss und Austragsrate für nicht-sphärische Materialien vorhergesagt werden.
Feature + Demo: STL-basierte Wandgeometrie kombiniert mit Multi-Sphere-Partikeln bildet die Geometrie realer Trichter und die Form realer Körner ab.
Mischen & Entmischen
Engineering-Problem: Industrielle Mischer und vibrierte Betten können bei unterschiedlichen Partikeleigenschaften entmischen statt mischen. Bulkmittelnde Modelle erkennen das nicht.
Feature + Demo: Die Verfolgung einzelner Partikel in MUSEN zeigt die Entwicklung des Mischindex und Entmischungsmuster direkt aus der Simulation.
Bonded-Particle-Methode
Engineering-Problem: Um vorherzusagen, wie zusammengesetzte oder poröse Strukturen unter mechanischer Last versagen, müssen Bindungen zwischen Partikeln aufgelöst werden, nicht nur Kontakte.
Feature + Demo: Der Bonded-Particle-Ansatz in MUSEN ist für poröse und betonähnliche Materialien validiert und bildet Rissinitiation und -fortschritt ab.
Nicht-sphärische Partikel
Engineering-Problem: Viele reale Pulver sind weit von einer Kugel entfernt (Tone, Flocken, Biomasse, Recyclingmaterialien), und die Form ändert Packung, Fluss und Entmischung.
Feature + Demo: Aus Multi-Sphere- oder gebondeten Primitiven aufgebaute Composite-Formen bilden formgetriebene Kontaktmechanik ab, ohne auf GPU-Performance zu verzichten.
Eigene Physik
Engineering-Problem: Manche industrielle Partikel brauchen Kontaktgesetze, die in keiner Standard-DEM-Toolbox enthalten sind, etwa nasse Adhäsion, Polymerfluss, Sintern oder spezialisierte Kohäsion.
Feature + Demo: Die C++-API und die BSD-Lizenz erlauben es Teams, eigene Kontaktmodelle, Partikelgeneratoren und Nachbearbeitungen einzuhängen, ohne das Projekt zu forken.
Kompakte Engineering-Beispiele aus publizierten MUSEN-Arbeiten.
Jedes Beispiel zeigt den MUSEN-Implementierungsansatz und das publizierte Ergebnis.
Projektumfang: Grundlegende Software-Beschreibung von MUSEN. Behandelt Architektur, Solver-Design, Parallelisierungsstrategie und Benchmark-Ergebnisse auf CPU- und GPU-Hardware.
Wie MUSEN eingesetzt wurde: Das Paper stellt das Framework selbst vor: GPU-Offload für Kontaktdetektion und Kraftberechnung, Multicore-CPU-Fallback und eine plattformübergreifende GUI/CLI für Szenenaufbau und Simulationssteuerung.
Wie MUSEN geholfen hat: Schuf ein frei verfügbares, offen lizenziertes DEM-Framework, das auf weit verbreiteter Hardware bis in den Millionen-Partikel-Bereich skaliert und so die Einstiegshürde für DEM-Nutzende in Forschung und Industrie senkt.
Praktische Erkenntnis: Wenn Ihr Projekt DEM mit hoher Partikelzahl ohne kommerziellen Lizenz-Overhead braucht, bietet MUSEN eine validierte, performante Basis.
Projektumfang: Vorhersage des mechanischen Verhaltens inverser Opale (eine poröse, periodische Mikrostruktur) unter Last, ohne aufwendige Finite-Elemente-Vernetzung des komplexen Porennetzwerks.
Wie MUSEN eingesetzt wurde: Bonded-Particle-DEM bildete das poröse Skelett direkt ab; Lasten wurden aufgebracht und Verformung, Bindungsbruch sowie effektive Steifigkeit aus der Simulation ausgewertet.
Wie MUSEN geholfen hat: Netzfreies DEM umgeht die geometrische Komplexität der Vernetzung und erfasst diskrete Versagensereignisse auf Bindungsebene auf natürliche Weise.
Praktische Erkenntnis: Für poröse oder hierarchische Strukturen, bei denen Vernetzung schwierig ist, ist Bonded-Particle-DEM in MUSEN eine valide Alternative für mikromechanische Studien.
Projektumfang: Numerische Studie zum mechanischen Verhalten von UHPC, bei der der Beton als gekoppeltes Dreiphasensystem (Matrix, Zuschlag, Übergangszone) auf Partikelebene dargestellt wird.
Wie MUSEN eingesetzt wurde: Ein dreiphasiges Bonded-Particle-Modell wurde in MUSEN implementiert und gegen gemessene UHPC-Spannungs-Dehnungs-Antwort einschließlich Versagensmoden kalibriert.
Wie MUSEN geholfen hat: Der Bonded-DEM-Ansatz reproduzierte Mikrorissbildung und die Rolle der Interfacial Transition Zone im UHPC-Versagen und lieferte damit einen Mikro-Einblick, den reine Kontinuumsmodelle nicht bieten.
Praktische Erkenntnis: Für Verbund- oder Mehrphasenmaterialien mit kritischem Grenzflächenverhalten ist Dreiphasen-Bonded-DEM in MUSEN eine sinnvolle Ergänzung zu Kontinuumsmodellen.
Projektumfang: Partikelaufgelöste Untersuchung des Walzenkompaktionsprozesses in der Trockengranulation. Behandelt Partikelfluss in den Walzenspalt, Porositätsverteilung in Kompaktierzone und Schülpe sowie Druckverteilung auf den Walzen.
Wie MUSEN eingesetzt wurde: Ein elasto-plastisches Kontaktmodell wurde gegen Materialdaten kalibriert und auf eine Walzenkompaktor-Geometrie in MUSEN angewendet. Die Simulation löste Partikelumordnung, Verdichtung und Spannungsaufbau beim Durchgang durch die Walzen auf.
Wie MUSEN geholfen hat: Durch die Verfolgung des Partikelverhaltens in der Kompaktierzone wurden lokale Porositäts- und Druckverteilungen sichtbar, die Bulk- oder Kontinuumsmodelle nicht auflösen können. Das stützt ein besseres Verständnis davon, wie Betriebseinstellungen die Schülpenqualität formen.
Praktische Erkenntnis: Für Trockengranulationsstudien, bei denen die Schülpenqualität von lokaler Verdichtung und Spannungsfeldern abhängt, liefert DEM mit einem kalibrierten elasto-plastischen Kontaktmodell einen Prozesseinblick, den reine Kontinuumsansätze nicht liefern.