Gekoppelte Simulation von Schüttguttransport

Masterprojekt Maschinenbau - Schwerpunkt Virtuelle Produktentwicklung
 

KURZBESCHREIBUNG:

Ein Großteil der in der Industrie vorkommenen Materialien sind Schüttgüter oder Granulate. Dabei kann es sich um Gestein, grobkörnigen Kies oder Sand handeln; Kunststoffgranulate als Rohmaterial für Spritzgußverfahren; Agrarprodukte wie zum Beispiel Mais, Reis oder Kartoffeln; Pharmaprodukte wie Tabletten oder Pillen bis hin zu feinen Pulvern, wie sie zum Beispiel in Laser- oder 3D-Druckern verwendet werden.

 Das Interesse an der Simulation von granularem Material hat nicht zuletzt auch wegen der stetig steigenden Leistungsfähigkeit moderner Hardware einen Aufschwung erlebt.  Zur Simulation von Schüttgütern bedient man sich häufig der Diskreten Elemente Methode (DEM), da sie im Gegensatz zu kontinuumsmechanischen Ansätzen dem granularem Charakter des Materials gerecht wird und auf natürliche Art und Weise die freie Dispersion von Material erlaubt.

Die große Bandbreite an Korngrößen, Materialeigenschaften und Anwendungsgebiete mittels Simulation abzubilden ist eine spannende Herausforderung. Das makroskopische Verhalten des Schüttgutes wird größtenteils über die mikroskopische Interaktion zweier Partikel modelliert. Um ein möglichst realistisches Ergebnis zu erzielen müssen also zunächst makroskopische Kenngrößen identifiziert werden und anschließend Modelle für die Partikel-Interaktion entsprechend ausgewählt und parametrisiert werden.

Insbesondere die Simulation von Transportvorgängen erfordert ein hohes Maß an Inderdisziplinarität. Man denke zum Beispiel an den Transport von Gesteinen, Berg- bzw. Tagebauprodukten oder Bitumen über lange Strecken mit Hilfe von  Förderbändern. Der Fördergurt besteht häufig aus einem Verbund aus Gummi und Stahlsträngen das über mehrere Tragrollen geführt wird. Zur Modellierung des Förderbandes ist die Finite Elemente Methode (FEM) prädestiniert. Um später verschiedene Förderbandbauarten simulativ untersuchen zukönnen müssen zunächst zwei wichtige Hürden genommen werden. Zum einen muss ein passendes Materialmodell gefunden werden, dass dem Verbundwerkstoff des Fördergurtes gerecht wird. Zum anderen sind die auftretenden hohen Rechenzeiten ein Problem, insbesondere wenn das Fördergurt eine spezielle Geometrie aufweisen soll (zum Beispiel Rippenstrukturen). Welche Modellvereinfachungen sind noch legitim? An welchen Stellen muss das Modell verfeinert werden?

Der Fördergurt spielt die wichtigste Rolle im Transport des Schüttgutes und das Schüttgut spielt eine entscheidene Rolle bei der Beanspruchung des Frödergurtes. Die DEM Simulation und die FEM Simulation dürfen also nicht entkoppelt von einander betrachtet werden.

Das Fraunhofer SCAI entwickelt die Software MpCCI CouplingEnvironment, die zur Co-Simulation verschiedener Simulationstools verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein Förderbandmodell, dass mit Hilfe einer FE-Software wie Abaqus oder Calculix modelliert wurde an ein Schüttgutmodell das mit EDEM oder Liggghts erstellt wurde gekoppelt werden. Die Kräfte, die aufgrund des Schüttgutes auf das Förderband wirken, werden in jedem Zeitschritt einer dynamischen Simulation mittels MpCCI CE an das FE-Tool übermittelt, welches im Gegenzug die Verformungen des Förderbandes an das DEM Tool als veränderte Randgeometrie übermittelt.

Das Masterprojekt wird in Kooperation mit dem Fraunhofer SCAI absolviert. Eines der zwei Teammitglieder legt den Fokus auf die Förderbandmodellierung mit FEM  und der oder die Andere auf die Schüttgutsimulation mit DEM. Beide Studentierende setzen gemeinsam die gekoppelte Simulation mit MpCCI auf. Die Arbeiten schließen an bereits abgeschlossene studentische Arbeiten auf dem Gebiet an.

Je nach Neigung der Kandidaten kann der Fokus mehr auf der Modellierung, der Modellvalidierung oder auf der Weiterentwicklung der Kopplungsschnittstelle mit MpCCI liegen. Nach einer Einarbeitungsphase wird die Aufgabenstellung dann in einem gemeinsamen Gespräch konkretisiert.
 

PROJEKTPHASEN:

Masterprojekt 1: Einarbeitung in EDEM/Ligghts, Abaqus/Calculix, MpCCI sowie Festlegung der Arbeitspakete.

Masterprojekt 2: Weiterführende Arbeiten je nach Arbeitspaket (z.B. Parametrierung des Schüttgutmodelles, Materialmodellierung des Fördergurtes, Schnittstellenerweiterung).

Masterthesis: Erstellen und Validierung eines realistischen gekoppelten Modells zum Materialtransport über Förderbänder.

Anzahl Plätze: 2