Gegenstand dieser Arbeit ist die Simulation einer Wirkpaarung am Beispiel des innermaschinellen Transports von Stückgütern. Zur Schonung des Verarbeitungsgutes wird für das intermittierende Fördern ein neuartiger Bewegungsansatz betrachtet. Da sich der mit diesem Ansatz durchgeführte Prozess sehr sensitiv gegenüber den Eingangsparametern verhält, ist es notwendig, diesen zu simulieren, um somit eine stabile und robuste Bewegung zu synthetisieren. Als grundlegender Modellansatz wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) gewählt, da diese es ermöglicht, den Kontakt von Starrkörpern realistisch abzubilden. Zur Umsetzung der Simulation wird die Modellbildung mit zwei unterschiedlichen Modellierungsumgebungen realisiert, die sich hinsichtlich der Umsetzung der DEM unterscheiden: Zum Einen mit Hilfe der kommerziellen Software MATLAB/Simulink und zum Anderen mit Hilfe der Open-Source-Software Woo DEM. Im Anschluss werden die damit erzeugten Modelle verifiziert und experimentell validiert, wodurch sich sowohl die Modellgüte als auch die Modelleignung ableitet. Dabei wird besonders auf die prozessentscheidende Rolle der Reibung eingegangen. Abschließend wird mit Hilfe des Vorzugsmodells an Hand zweier Beispiele die Modellanalyse vollzogen. Hierbei wird der neuartige Bewegungsansatz synthetisiert und simulativ hinsichtlich des Prozesserfolges überprüft. Dabei wird insbesondere auf die mit Hilfe des Modells quanitifizierbaren Prozessgrößen eingegangen. / The subject of this thesis deals with the simulation of an active unit demonstrated by the mechanical transport of pieced goods. To protect the processing goods, a novel motion approach for the intermittent transport is researched. Since the process performed with this approach is very sensitive to its input parameters, it is necessary to simulate it, with the aim to synthesize a stable and robust motion. The Discrete Element Method (DEM) is chosen as the basic model approach, because it allows the realistic representation of rigid body contacts. To implement the simulation the modelling is realised with two different modelling environments, which differ in the implementation of the DEM: Firstly, using the commercial software MATLAB/Simulink and secondly with the help of the open-source-software Woo DEM. Following that the generated models are verified and experimentally validated, whereby both the model goodness and the model suitability are derived. Special attention is dedicated to the role of the process relevant friction. Eventually, the model analysis is carried out with the help of two examples using the preferred model. Here, the novel motion approach is synthesized and verified by simulation in terms of process success. In particular it will address process variables, which are quantifiable because of the model.

Viele Arbeitsprozesse in der Bau- und Fördermaschinentechnik, Lebensmittelindustrie oder Verfahrenstechnik sind gekennzeichnet durch die Interaktion mit Schüttgütern. Beispiele hierfür sind die Gewinnung und der Transport von Erd- und Rohstoffen sowie die Verarbeitung von Getreide, Mais, Pellets oder Granulaten. Zur Abbildung der partikel-mechanischen Vorgänge hat sich die Diskrete Elemente Methode (DEM) als geeignetes Simulationsverfahren etabliert. Für eine prospektive Analyse der Wechselwirkungen zwischen Schüttgut und Maschine ist es notwendig diese Methodik mit einem domänen-übergreifenden Systemmodell zu verknüpfen. Es wird eine Lösung vorgestellt, welche eine geschlossene Modellierung und Simulation der DEM in der Software SimulationX ermöglicht.

The Discrete Element Method (DEM) provides an approach to recognition of the problems within bottle conveyors at an early stage of the engineering process. Key points in bottle conveyor systems, such as buffers, ejectors, diverters and transfers can be numerically analyzed. It is possible to calculate forces on lateral guides and forces between bottles within accumulation situations. The DEM provides an alternative opportunity for the virtual process optimization and numeric case studies of conveying systems at beverage and food industries. / Die diskrete Elementmethode (DEM) ermöglicht in einem frühen Stadium des Engineering-Prozesses die Erkennung von Problemen in Flaschenförderern. Wichtige Systemelemente wie Puffer, Ausschleuser, Weichen und Übergabestellen können numerisch analysiert werden. Es ist somit u. a. möglich, Kräfte auf Seitenführungen und Kräfte zwischen den Flaschen innerhalb von Stausituationen zu berechnen. Die DEM bietet eine alternative Möglichkeit für die virtuelle Prozessoptimierung und die Durchführung numerischer Fallstudien von Fördersystemen u. a. in der Getränke- und Lebensmittelindustrie.

Sturzmühlen werden zur Zerkleinerung von z.B. Zementklinker und Erzen eingesetzt. Für eine sichere Dimensionierung der Mühlenstruktur mittels Finite-Elemente-Methoden werden Belastungsgrößen der Mühlenfüllung im Betrieb der Maschine benötigt. Aufgrund eines fehlenden Ansatzes wird diese Last bisher nur abgeschätzt. Mit der Diskrete-Elemente-Methode konnte die Mahlgutbewegung und die Belastungsverteilung der Mühlenfüllung auf den Mahlzylinder unter Variation der relativen Drehzahl und des Füllungsgrades simuliert werden. Eine Bewertung der Simulationsergebnisse erfolgte durch die Gegenüberstellung der simulierten Mahlgutbewegung mit fotografischen Aufnahmen des Bewegungszustandes in einer Modellmühle sowie den Vergleich der Belastungsverteilung aus der Simulation mit gemessenen Kraftverläufen an einer Labormühle. Die Anwendung der simulierten Belastung in einer FE-Berechnung einer SAG-Mühle lieferte durch den Vergleich mit Dehnungsmessungen am Mahlzylinder einer Technikumsmühle bei verschiedenen Füllungsgraden eine qualitativ bessere Spannungsverteilung als der bisherige Lastansatz.

Mit zunehmenden mineralischen Ressourcenbedarf steigen die Anforde-rungen an Aufbereitungsmaschinen wie den Center-Sizer. Um diesen An-forderungen gerecht zu werden, lag der Schwerpunkt bisher in der Ver-besserung der maschinenseitigen Modellbeschreibung, wobei für die Ma-terialmodelle zumeist stark vereinfacht blieben. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung eines materialseitigen Modells basierend auf der Diskreten-Elemente-Methode, welches durch eine begründete Parametrierung sowie in Co-Simulation mit einem mehr-dimensionalen Maschinenmodell zur Belastungsprognose auf Center-Sizer dient. Sie leistet damit einen Beitrag zur Erweiterung der bestehenden Auslegungsmethode und bietet für weiterführende Forschungstätigkeiten eine substanzielle Grundlage. / As the demand for mineral resources increases, so do the requirements for processing machines such as the Center-Sizer. In order to meet these re-quirements, the focus has so far been on improving the model description on the machine side, whereby the material models mostly have remained simplified. The present dissertation deals with the development of a material model based on the discrete-element-method for the load prediction on center sizer by using determined parameterization method as well as the co-simulation with a multidimensional machine model. It contributes to the enhancement of the current method of structural design and it serves a substantial basis for further research projects.

Um das Fließverhalten von Granulaten in dünnwandigen Metallsilos auch mikroskopisch detailliert beschreiben zu können, ist es wichtig, beide Kontaktpartner (Granulat und elastische Wand) detailliert abbilden zu können. Granulate können vereinfacht als Kugeln betrachtet werden, weswegen die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) hierfür geeignet ist. Die elastische Verformung der Metallwand kann mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Simulation zu entwickeln, welche für beide Kontaktpartner eine gemeinsame Simulationsumgebung schafft. Dabei sollen zu Beginn einfache Beispiele für den Kontakt von Granulat und Festkörperstrukturen erarbeitet werden, die verschiedene Lastfälle abdecken. Um die Simulationsergebnisse bewerten zu können, sollen die Beispiele so gewählt werden, dass die Simulationen analytisch oder numerisch validiert werden können.

Die Methode der Diskreten Elemente ist eine neue, alte Methode, beruhend auf den Newtonschen Axiomen, praktikabel geworden durch die rasante Entwicklung der Rechentechnik in den vergangenen fünfzig Jahren. Es handelt sich um einfach zu beschreibende, vielfältig einsetzbare, aber rechenintensive Methode. Die Methode der Diskreten Elemente ist jene Methode, von der viele Menschen – nicht nur Laien -- glauben, dass es die Methode der Finiten Elemente sei. Die Methode ermöglicht es, mit vergleichsweise geringem Programmieraufwand spektakuläre Ergebnisse zu erzielen. Die Notwendigkeit zur Lösung schwach besetzter großer linearer Gleichungssysteme entfällt ebenso, wie eine komplizierte Netzgenerierung, die Assemblierung von Systemmatrizen und die damit verbundenen, aufwändigen Optimierungsstrategien. Die Methode der Diskreten Elemente gehorcht implizit streng jenen – stets gültigen – Energieprinzipien, auf die sich andere Methoden wie die Methode der Finiten Elemente bei Herleitungen explizit berufen, während sie tatsächlich lediglich mit Näherungen für (sehr) kleine Verformungen arbeiten. Bei entsprechender Auslegung lassen sich alle an der Simulation beteiligten Elemente als materielle Bestandteile oder beruhend auf der Wechselwirkung materieller Bestandteile auffassen. Kontaktelemente oder gar geeignet platzierte Risselemente werden nicht benötigt. Risse äußern sich durch die Abwesenheit von Materie. Das Phänomen der Überadditivität ist in Partikelsimulationen von vornherein angelegt. Partikelmethoden eignen sich daher hervorragend zum modellhaften Studium komplexer Systeme. Die Parameteridentifikation und Parameteranpassung von Diskrete-Elemente-Modellen gestaltet sich schwierig, sobald die Gültigkeit des Superpositionsprinzips nicht mehr gegeben ist. Dies ist jedoch kein Mangel der Methode, sondern Folge von Interaktion und Überadditivität. Die Methode eignet sich hervorragend zur Generierung virtueller Probekörper und zum Preprocessing im Zusammenwirken mit anderen Simulationsmethoden. Visualisierungen der mit Partikelmethoden erhaltenen Ergebnisse sind von hohem anschaulichem und didaktischem Wert. Die Methode ist sehr flexibel, so dass die Simulationsergebnisse bei entsprechender Parametergestaltung keiner künstlichen Überhöhung bedürfen. Die Methode der Diskreten Elemente ist eine entdeckende Methode. Sie besitzt – wie jede andere Methode – Methodencharakter, die auf ihrer Grundlage entwickelten Modelle – wie alle Modelle – Modellcharakter.

The subject of this splitted article is the commissioning of a new application that may be part of a processing machine. Considering the example of the intermittent transport of small-sized goods, for example, chocolate bars, ideas for increasing the maximum performance are discussed. Starting from an analysis, disadvantages of a conventional motion approach are discussed, and thus, a new motion approach is presented. For realising this new motion approach, a virtual process model has to be built, which is the subject of this article. Therefore, the real process has to be abstracted, so only the main elements take attention in the modelling process. Following, important model parameters are determined and verified using virtual experiments. This finally leads to the possibility to calculate useful operating speed–dependent trajectories using the process model.

The subject of this splitted article is the commissioning of a new application that may be part of a processing machine. Considering the example of the intermittent transport of small-sized goods, for example, chocolate bars, ideas for increasing the maximum performance are discussed. Starting from an analysis, disadvantages of a conventional motion approach are discussed, and thus, a new motion approach is presented. For realising this new motion approach, a virtual process model has to be built, which is the subject of this article. Therefore, the real process has to be abstracted, so only the main elements take attention in the modelling process. Following, important model parameters are determined and verified using virtual experiments. This finally leads to the possibility to calculate useful operating speed–dependent trajectories using the process model.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187