【Ansys Rocky】 粒子ダイナミクスシミュレーションソフトウェア

Ansys Rockyは離散要素法(Discrete Element Method,DEM)をベースとし、 球形粒子を「多面体」としてモデル化、その挙動の予測を実現した初の商用版粉体解析ソフトウェアです。

粉体(錠剤、鉱石、土、食品等)は形状に応じて複雑な挙動を示すことから、撹拌時の混合の不均一、輸送工程や充填過程で発生する粉つまりや偏析などのトラブルが発生しやすく、回避も難しいのが実情です。 こうしたトラブルの解決策として挙げられる「製造条件の変更」や「製造設備の改善」には、シミュレーションによる粒子挙動の予測が効果的です。特に高額で代替えが難しい粉体製造設備は試作や試験が限定的になりがちな背景も相まって、粉体のシミュレーションニーズは高まっています。

Ansys Rockyでは非球形の粒子形状を用いることで複雑な現象を忠実に再現することができるため、粉体・固体の複雑な挙動をより正確に解析することが可能です。 利用可能な分野は製薬や食品、化学、鉱業、機械など多岐に渡り、試験コストや検証工数の大幅な削減を実現させ、粉体加工プロセスの生産性向上に貢献します。

1. 主要な機能とテクノロジー

Ansys Rockyは、従来のDEMツールが抱えていた「形状の単純化（すべて球体で計算するなど）」や「計算時間の壁」をブレイクスルーする技術を搭載しています。

• 真の非球形粒子のモデリング: 実際の物質は完全な球体ではありません。Rockyは、多面体（ポリヘドロン）、凹型形状、柔軟性のある繊維（フレキシブルファイバー）、シェル形状など、現実の粒子の形状をそのままメッシュ化して計算に用いることができます。これにより、錠剤やポテトチップス、草などの複雑な動きを正確に再現します。

• 破砕（Breakage）および摩耗モデル: 粒子同士や装置との衝突によって、粒子が細かく割れる（破砕する）プロセスや、装置の表面が徐々に削れる（摩耗する）現象を動的にシミュレーションします。

• マルチGPU処理による超並列計算: 数百万から数千万個といった膨大な数の粒子の衝突・接触を計算するため、CPUだけでなく複数枚のGPU（グラフィックス・プロセッシング・ユニット）を活用したマルチGPU処理にネイティブ対応しています。これにより、HPC（ハイパフォーマンス・コンピューティング）環境において計算時間を劇的に短縮します。

• マルチフィジックス連成（FSI解析）: Ansysの他ツール群と強固に連携します。

  • Ansys Fluent（流体解析）との連成: 空気で粉体を運ぶ（空気輸送）や、流動層における流体と粒子の相互作用を解析。

  • Ansys Mechanical（構造解析）との連成: 大量の土砂や鉱石がコンベアやダンプカーに落下した際の衝撃荷重や応力を解析。

2. 主な適用領域（アプリケーション）

粒子や粉体を扱うあらゆる産業において、装置の設計最適化やプロセスの歩留まり向上に活用されています。

• 鉱業・建設・重機（バルク・マテリアル・ハンドリング）: 掘削機（ショベルカー）、破砕機（クラッシャー）、ベルトコンベアなどの設計。大小さまざまなサイズの鉱石や土砂がどのように流れ、装置にどのようなダメージ（摩耗・衝撃）を与えるかを予測します。

• 製薬・化学: 医薬品の錠剤のコーティングプロセス（ドラム内での均一な混合状態の確認）、粉薬の搬送、反応器内での粒子の挙動検証。

• 農業・食品加工: 収穫機内部での穀物の流れや、柔軟な植物の茎や葉（フレキシブルファイバー）の絡み合いのシミュレーション。スナック菓子のパッケージング工程における製品の割れ予測。

• 電池・マテリアル（先端R&D）: リチウムイオン電池の電極製造プロセスにおける粉体の塗工やプレス工程のモデリングなど、微細な粉体挙動の解明。