SidyW - Simulation of dynamical resistances during the operation of construction and conveying machines
Mechanics
Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic
Final Report Abstract
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.
Publications
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- (2019): Ersatzmodell-gestützte Kalibrierung von Schüttgutsimulationen. In: 24. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2019 - Magdeburg S. 41-56
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- (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
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- (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
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.10.052)
