SIMPPL - Simulation of the motion behaviour of filled parcels and load carriers in bulk mode

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Andrè Katterfeld
• Subject Area: Engineering Design, Machine Elements, Product Development ; Mechanics
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 281353435

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Mit der Multilevel-DEM-Simulation wurde eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von miteinander interagierenden Mehrkörpersystemen entwickelt, mit der es auch möglich ist, zeitgleich äußere und innere Kontaktkräfte zu berücksichtigen und damit sogenannte Box-in-Box-Probleme abzubilden. Der zugehörige Algorithmus wurde in die Open-Source-Software LIGGGHTS® implementiert. Die Simulationsmethode wurde zur Untersuchung der Paketaufgabe im Pulk angewendet und validiert. Zunächst sollten die Pakete mithilfe von Kugelkonglomeraten, sogenannten „Multi-Spheres“ abgebildet werden. Jedoch traten bei diesem Ansatz die folgenden Probleme auf: • Die Kalibrierung des Restitutionskoeffizienten hat gezeigt, dass die Rücksprunghöhe eines aus Primärkugeln aufgebauten Paketes von der Anzahl der Primärkugeln im Kontakt abhängt. Dieses softwareseitige Problem konnte mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht gelöst werden. • Durch den Aufbau der Pakete aus regelmäßig angeordneten Primärpartikeln entsteht eine sog. „Pseudo- Reibung“, die das Verzahnen von zwei aufeinander gleitenden Clumps beschreibt. Trotz der vorgestellten Strategie zur Kalibrierung des Gleitreibungskoeffizienten durch Reduzierung der Gleitreibung in Abhängigkeit von der Verzahnungsintensität ist der Kalibrierungsprozess durch dieses Phänomen aufwändig. Zwar lässt sich die Pseudo-Reibung durch eine unregelmäßige Partikelanordnung verhindern, allerdings führt das zu einer Erhöhung der Partikelanzahl pro Paket und damit zu einem Anstieg der Rechenzeit. Die Probleme mit den zunächst verwendeten Multi-Spheres konnten durch die Verwendung von sogenannten Superquadrics als quaderförmige Partikel mit abgerundeten Ecken und Kanten gelöst werden. Die zunächst für die Multi-Spheres wenig erfolgreich durchgeführten Kalibrierungsuntersuchungen konnten mit den Superquadrics sehr erfolgreich abgeschlossen werden. Die Kontaktmodell-Parameter wurden für die Simulation von unterschiedlichen Paket-Typen und einer Sensorbox kalibriert. Parallel wurde ein entsprechender Validierungsversuchsstand für die Durchführung von Pulkaufgabeversuchen aufgebaut und mit entsprechender Messtechnik ausgerüstet. Eine Sensorbox mit Beschleunigungsaufnehmer wurde zur Messung der Paket- und der „Gut-im-Paket“-Belastung entwickelt und gebaut. Die Validierung der Multilevel-DEM-Simulation für die Paketaufgabe im Pulk hat ergeben, dass die Vorhersage des Massenstroms und der während des Pulkumschlags auftretenden Stoßbelastung sowohl für eine innerhalb eines Ladungsträgers fixierte als auch frei bewegliche Ladung („Paket im Paket“) mit guter Übereinstimmung zu den experimentellen Messwerten möglich ist. Damit konnte nachgewiesen werden, dass diese Simulationsmethode geeignet ist, um Technologien für den Umschlag von Paketen im Pulk hinsichtlich des Massenstroms und der auf die Pakete wirkenden Stoßlasten zu bewerten und miteinander zu vergleichen. Neben dem Anwendungsbeispiel „Paket in Paket im Pulk“ konnte der entwickelte Ansatz der Multilevel-DEM- Simulation auf weitere innovative Probleme aus Forschung und Industrie übertragen werden. So konnte damit der Verschleiß von Getränkeflaschen auf Stauförderern und das innovative Funktionsprinzip des sogenannten Schubelementeförderers für den Transport von Agrarrohstoffen simuliert werden.

Publications

• Anwendung der Diskrete Elemente Methode zur Senkung der Beschädigungsrate von Maschinen für den Umschlag von Paketen im Pulk. Logistics Journal : Proceedings, Vol. 2017
  Prims D, Katterfeld A
  
• Multilevel DEM-Simulation des Bewegungsverhaltens von Getränkeflaschen im Pulk. Logistics Journal, Vol. 2018
  Richter C, Katterfeld A, Pusch M
  
• Numerische Simulation eines Schubelementeförderers. Logistics Journal : Proceedings, Vol. 2018
  Richter C, Pusch M, Katterfeld A, Kamps R
  
• (2019). Multilevel DEM approach for the simulation of the interaction between bulk material and a multitude of freely moveable machine parts. Keynote CFDEM Conference 2019, Linz 2019
  Katterfeld, A, Richter, C