SidyW - Simulation dynamischer Widerstände in maschinellen Prozessen von Bau- und Fördermaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andrè Katterfeld; Professor Dr.-Ing. Günter Kunze
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Mechanik ; Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320146379

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer Methodik zur automatisierten und effizienten Parameterwertbestimmung für DEM-Kontaktmodelle. Die Bestimmung der Parameterwerte wird als Kalibrierung bezeichnet. Dabei werden experimentell ermittelte Schüttgutcharakteristika bzw. Zielgrößen mit simulierten Ergebnissen verglichen. Die Kontaktmodellparameter des Simulationsmodells, welche die simulierten Ergebnisse maßgeblich beeinflussen, werden dabei solange variiert bis es zu einer hinreichenden Übereinstimmung kommt. Der Fokus der Betrachtungen lag auf der Untersuchung nicht-kohäsiver Schüttgüter. Im Rahmen der Forschungstätigkeiten wurden zunächst verschiedene Kalibrierversuche entworfen und die notwendigen Versuchseinrichtungen zur Durchführung der Experimente sowie zur Bestimmung der jeweiligen Schüttgutcharakteristika aufgebaut. Es zeigte sich, dass mithilfe des Draw Down Versuch mehrere Schüttgutcharakteristika auf einmal bestimmt werden können, welche eine relativ eindeutige Zuordnung eines Parametersatzes ermöglichen. Zur Ermittlung des Parametersatzes wurde zunächst eine systematische Variation der DEM-Parameter durchgeführt, um ein Systemverständnis der Zusammenhänge zwischen den makroskopischen Ergebnissen des Kalibrierversuchs und der einzelnen DEM-Parameter zu erlangen. Zur automatisierten Parameterwertbestimmung wurde ein Ersatzmodell-gestützter Optimierungsalgorithmus entwickelt und getestet. Als Ersatzmodellart wurde die Gauß-Prozess- Regression ausgewählt, da diese in Voruntersuchungen die besten Abbildungsgenauigkeiten des realen Zielfunktionsraumes besaß. In mehreren Kalibrierungssequenzen konnte nachgewiesen werden, dass der Algorithmus wesentlich weniger Simulationsdurchläufe zur Identifikation geeigneter Parametersätze benötigt als konventionelle Verfahren. Gleichzeitig konnte nachgewiesen werden, dass die Ergebnisse des Optimierungsalgorithmus sehr gut mit den Ergebnissen des systematischen Parameter-Variation übereinstimmen. Damit kann den Ergebnissen des Optimierungsalgorithmus grundsätzlich vertraut werden. Neben der klassischen Kalibrierungsansätzen, die sich auf die Fließeigenschaften als Zielfunktion konzentrieren, wurden mit dem Translations-Schwert-Versuch und dem Rotations-Schwert- Versuch zwei Versuche entwickelt und durchgeführt, die auch eine Berücksichtigung der Interaktionskräfte zwischen Schüttgut und Bauteil (Schwert) ermöglichen. Die Durchführung der kraftorientierten Kalibrierversuche bestätigte sehr gut die bereits kalibrierten DEM-Parameter aus dem Draw-Down-Versuch. In einem aufwendigen Validierungsversuch konnte eine gekoppelte DEM-Maschinensimulation des Grabvorgangs eines Löffelbaggers durchgeführt und mit vorliegenden experimentellen Daten verglichen werden. Für die Kopplung wurde der FMI-Standard (Functional Mock-Up Interface) und eine eigens entwickelte Schnittstelle mit der DEM-Software LIGGGHTS® verwendet. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation festgestellt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2017): Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Parametrierung und Auswertung von Schüttgutsimulationen. 22. Fachtagung Schüttgutfördertechnik, 27.-28. September 2017, Magdeburg
  Richter, C.
  
• (2018) Scaling of the angle of repose test and its influence on the calibration of DEM parameters using upscaled particles. Powder Technology. 2018 Volume 330.2018, S. 58-66
  Rößler, T.; Katterfeld, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.01.044)
• (2018): Development of a standardized procedure for the calibration of DEM abrasive wear simulations. In: CHoPS 2018: 9th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids. Greenwich Maritime Campus, London 2018
  Rößler, T.; Katterfeld, A
  
• (2018): Ersatzmodell-gestützte Kalibrierung von Simulationsmodellen am Beispiel von DEM-Schüttgutsimulationen. In: 7. Fachtagung Baumaschinentechnik 2018: Digitalisierung, Automatisierung, Mensch; Tagungsband - Frankfurt am Main: FVB, S. 236-255
  Richter, C.; Will, F.; Rößler, T.; Katterfeld, A.
  
• (2018): Regressionsmethoden zur Ersatzmodellbildung und analytischen Beschreibung von Erdstoffmodellen. In: Tagungsband Workshop 2018 ASIM/GI-Fachgruppen, 8.- 9. März 2018, Heilbronn
  Richter, C.; Will, F.
  
• (2018): Standardverfahren zur multikriteriellen Kalibrierung von DEM-Parametern von kohäsionslosen Schüttgütern unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus. In: Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2018. Technische Universität München, S. 53-76
  Rößler, T.; Richter, C.; Katterfeld, A.; Will, F.
  
• (2019) DEM parameter calibration of cohesive bulk materials using a simple angle of repose test. Particuology. Volume 45, August 2019, Pages 105-115
  Rößler, T; Katterfeld, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.partic.2018.08.005)
• (2019) Development of a standard calibration procedure for the DEM parameters of cohesionless bulk materials – part I: Solving the problem of ambiguous parameter combinations. Powder Technology, Volume 343, S. 803-812, ISSN 0032-5910
  Rößler, T.; Richter, C.; Katterfeld, A.; Will, F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.11.034)
• (2019): A standard calibration approach for DEM parameters of cohesionless bulk materials. In: Proceedings of the ICBMH 2019, Gold Coast, Australia, Institution of Engineers Australia, 10 S., 2019
  Katterfeld, A; Rößler, T
  
• (2019): Ersatzmodell-gestützte Kalibrierung von Schüttgutsimulationen. In: 24. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2019 - Magdeburg S. 41-56
  Richter, C.; Rößler, T.; Will, F.; Katterfeld, A.; Kunze, G.
  
• (2019): Standard procedure for the calibration of DEM parameters of cohesionless bulk materials. In: Proceedings of the 8th International Conference on Discrete Element Methods, DEM8 - Enschede: MercuryLab, insges. 12 S., 2019
  Katterfeld, A.; Rößler, T.
  
• (2020) Development of a standard calibration procedure for the DEM parameters of cohesionless bulk materials – Part II: Efficient optimization-based calibration. Powder Technology, Volume 360, S. 967-976
  Richter, C.; Rößler, T.; Kunze, G.; Katterfeld, A.; Will, F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.10.052)