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.

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.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.

Partikelsimulationen repräsentieren eine Klasse von daten- und rechenintensiven Simulationsanwendungen, die in unterschiedlichen Bereichen der Wissenschaft und der industriellen Forschung zum Einsatz kommen. Der hohe Berechnungsaufwand der eingesetzten Lösungsmethoden und die großen Datenmengen, die zur Modellierung realistischer Probleme benötigt werden, machen die Nutzung paralleler Rechentechnik hierfür unverzichtbar. Parallelrechner mit verteiltem Speicher stellen dabei eine weit verbreitete Architektur dar, bei der eine Vielzahl an parallel arbeitenden Rechenknoten über ein Verbindungsnetzwerk miteinander Daten austauschen können. Die Berechnung von Wechselwirkungen zwischen Partikeln stellt oft den Hauptaufwand einer Partikelsimulation dar und wird mit Hilfe schneller Lösungsmethoden, wie dem Barnes-Hut-Algorithmus oder der Schnellen Multipolmethode, durchgeführt. Effiziente parallele Implementierungen dieser Algorithmen benötigen dabei eine Sortierung der Partikel nach ihren räumlichen Positionen. Die Sortierung ist sowohl notwendig, um einen effizienten Zugriff auf die Partikeldaten zu erhalten, als auch Teil von Optimierungen zur Erhöhung der Lokalität von Speicherzugriffen, zur Minimierung der Kommunikation und zur Verbesserung der Lastbalancierung paralleler Berechnungen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten parallelen Sortierverfahrens und der dafür benötigten Kommunikationsoperationen zur Datenumverteilung in Partikelsimulationen. Hierzu werden eine Vielzahl existierender paralleler Sortierverfahren für verteilten Speicher analysiert und mit den Anforderungen von Seiten der Partikelsimulationsanwendungen verglichen. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei hinsichtlich der Aufteilung der Partikeldaten auf verteilten Speicher, der Gewichtung zu sortierender Daten zur verbesserten Lastbalancierung, dem Umgang mit doppelten Schlüsselwerten sowie der Verfügbarkeit und Nutzung speichereffizienter Kommunikationsoperationen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird ein neues paralleles Sortierverfahren entwickelt und in die betrachteten Anwendungsprogramme integriert. Darüber hinaus wird ein neuer In-place-Algorithmus für der MPI_Alltoallv-Kommunikationsoperation vorgestellt, mit dem der Speicherverbrauch für die notwendige Datenumverteilung innerhalb der parallelen Sortierung deutlich reduziert werden kann. Das Verhalten aller entwickelten Verfahren wird jeweils isoliert und im praxisrelevanten Einsatz innerhalb verschiedener Anwendungsprogramme und unter Verwendung unterschiedlicher, insbesondere auch hochskalierbarer Parallelrechner untersucht.

Partikelsimulationen repräsentieren eine Klasse von daten- und rechenintensiven Simulationsanwendungen, die in unterschiedlichen Bereichen der Wissenschaft und der industriellen Forschung zum Einsatz kommen. Der hohe Berechnungsaufwand der eingesetzten Lösungsmethoden und die großen Datenmengen, die zur Modellierung realistischer Probleme benötigt werden, machen die Nutzung paralleler Rechentechnik hierfür unverzichtbar. Parallelrechner mit verteiltem Speicher stellen dabei eine weit verbreitete Architektur dar, bei der eine Vielzahl an parallel arbeitenden Rechenknoten über ein Verbindungsnetzwerk miteinander Daten austauschen können. Die Berechnung von Wechselwirkungen zwischen Partikeln stellt oft den Hauptaufwand einer Partikelsimulation dar und wird mit Hilfe schneller Lösungsmethoden, wie dem Barnes-Hut-Algorithmus oder der Schnellen Multipolmethode, durchgeführt. Effiziente parallele Implementierungen dieser Algorithmen benötigen dabei eine Sortierung der Partikel nach ihren räumlichen Positionen. Die Sortierung ist sowohl notwendig, um einen effizienten Zugriff auf die Partikeldaten zu erhalten, als auch Teil von Optimierungen zur Erhöhung der Lokalität von Speicherzugriffen, zur Minimierung der Kommunikation und zur Verbesserung der Lastbalancierung paralleler Berechnungen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten parallelen Sortierverfahrens und der dafür benötigten Kommunikationsoperationen zur Datenumverteilung in Partikelsimulationen. Hierzu werden eine Vielzahl existierender paralleler Sortierverfahren für verteilten Speicher analysiert und mit den Anforderungen von Seiten der Partikelsimulationsanwendungen verglichen. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei hinsichtlich der Aufteilung der Partikeldaten auf verteilten Speicher, der Gewichtung zu sortierender Daten zur verbesserten Lastbalancierung, dem Umgang mit doppelten Schlüsselwerten sowie der Verfügbarkeit und Nutzung speichereffizienter Kommunikationsoperationen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird ein neues paralleles Sortierverfahren entwickelt und in die betrachteten Anwendungsprogramme integriert. Darüber hinaus wird ein neuer In-place-Algorithmus für der MPI_Alltoallv-Kommunikationsoperation vorgestellt, mit dem der Speicherverbrauch für die notwendige Datenumverteilung innerhalb der parallelen Sortierung deutlich reduziert werden kann. Das Verhalten aller entwickelten Verfahren wird jeweils isoliert und im praxisrelevanten Einsatz innerhalb verschiedener Anwendungsprogramme und unter Verwendung unterschiedlicher, insbesondere auch hochskalierbarer Parallelrechner untersucht.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.:Einleitung Literaturauswertung Numerische Modellierung Modellstudien Ergebnisauswertung Zusammenfassung Extended summary

Vibrationsförderer sind Stetigförderer, welche Fördergüter durch periodische Schwingbewegungen in gerichtete Bewegungen versetzen. Vibrationsförderer sind in der Handhabungstechnik, der Zuführung von Mikrobauteilen und feinen Pulvern, sowie in der Schüttgut verarbeitenden Schwerindustrie weit verbreitet. In dieser Arbeit erfolgt nach der Betrachtung des Stands der Technik von Vibrationsförderern und den Interpretationsmöglichkeiten der Förderorganbewegung, die Vorstellung und Diskussion weiterer analytischer Berechnungsansätze. Anschließend werden Störprozesse, die während des Guttransportes auf Vibrationsförderern immer wieder beobachtet werden, erstmals klassifiziert und mathematisch beschrieben. Um die DEM-Simulation von Vibrationswendelförderern und linearen Vibrationsförderern unter Verwendung des Gleit-, Wurf- und Haft-Gleitförderprinzips in der Software LIGGGHTS zu ermöglichen, wurde eine Softwareerweiterung entwickelt. Diese Erweiterung umfasst zwei Module, welche die Bewegungen von importierten CAD-Geometrien auf Basis von als Fourierreihen definierten harmonischen Schwingungen höherer Ordnung ermöglichen. Das Befehlsmodul viblin ermöglicht die Definition von translatorischen Schwingungen. Das Modul vibrot ermöglicht die Definition von Rotationsschwingungen um eine raumfeste Achse. Beide Bewegungsmodule ermöglichen die Definition von komplexen Schwingungszuständen der CAD-Geometrien. Untersuchungen der Mikroprozesse innerhalb einer Arbeitsperiode zeigen, für die Förderarten Wurf und Gleiten, alle notwendigen Abschnitte der Kraft- und Geschwindigkeitsverläufe am Fördergut. Die durchgeführten Validierungen stellen die Verwendung der DEM als Simulationswerkzeug in der Vibrationsfördertechnik sicher. Auf der Basis der abschließend durchgeführten Parameterstudien können in Zukunft Kalibrierungsmethoden bezüglich des Verhaltens von Partikeln auf vibrierenden Unterlagen entwickelt werden. / Vibratory conveyors are continuous conveyors which move the materials to be conveyed by periodic vibrations of the conveyor chute. Vibrating conveyors are used in handling technology, the supply of micro components and fine powders, as well as in bulk material processing heavy industry. Within this work the state of the art of vibratory conveyors and alternative interpretations of the conveyor movement are introduced. Afterwards further analytical approaches are discussed. Subsequently, interfering processes, which occur during the transport of the materials on vibratory conveyors are classified and mathematically described. To simulate vibrating spiral conveyors and linear vibration conveyors using the sliding, throwing or sticking-glide conveyor principle in the software LIGGGHTS, a software extension was developed. This extension includes two software modules, to define the movements of imported CAD geometries on the basis of as Fourier series defined harmonic oscillations. The viblin command module allows the definition of translatory vibrations. The module vibrot allows the definition of rotational vibrations around a fixed axis. Both motion modules allow the definition of complex vibrational states of the CAD geometries. Investigations of the micro processes within a working period showed all necessary sections of the force and speed progression on the conveyed particles for the conveyor principles of micro throw and slide. The validations constitute the basic function of the DEM as a simulation tool in the vibratory conveyor technology. The final parameter studies can be used to develop calibration methods to describe the motion of particles on vibrating plates

Vibrationsförderer sind Stetigförderer, welche Fördergüter durch periodische Schwingbewegungen in gerichtete Bewegungen versetzen. Vibrationsförderer sind in der Handhabungstechnik, der Zuführung von Mikrobauteilen und feinen Pulvern, sowie in der Schüttgut verarbeitenden Schwerindustrie weit verbreitet. In dieser Arbeit erfolgt nach der Betrachtung des Stands der Technik von Vibrationsförderern und den Interpretationsmöglichkeiten der Förderorganbewegung, die Vorstellung und Diskussion weiterer analytischer Berechnungsansätze. Anschließend werden Störprozesse, die während des Guttransportes auf Vibrationsförderern immer wieder beobachtet werden, erstmals klassifiziert und mathematisch beschrieben. Um die DEM-Simulation von Vibrationswendelförderern und linearen Vibrationsförderern unter Verwendung des Gleit-, Wurf- und Haft-Gleitförderprinzips in der Software LIGGGHTS zu ermöglichen, wurde eine Softwareerweiterung entwickelt. Diese Erweiterung umfasst zwei Module, welche die Bewegungen von importierten CAD-Geometrien auf Basis von als Fourierreihen definierten harmonischen Schwingungen höherer Ordnung ermöglichen. Das Befehlsmodul viblin ermöglicht die Definition von translatorischen Schwingungen. Das Modul vibrot ermöglicht die Definition von Rotationsschwingungen um eine raumfeste Achse. Beide Bewegungsmodule ermöglichen die Definition von komplexen Schwingungszuständen der CAD-Geometrien. Untersuchungen der Mikroprozesse innerhalb einer Arbeitsperiode zeigen, für die Förderarten Wurf und Gleiten, alle notwendigen Abschnitte der Kraft- und Geschwindigkeitsverläufe am Fördergut. Die durchgeführten Validierungen stellen die Verwendung der DEM als Simulationswerkzeug in der Vibrationsfördertechnik sicher. Auf der Basis der abschließend durchgeführten Parameterstudien können in Zukunft Kalibrierungsmethoden bezüglich des Verhaltens von Partikeln auf vibrierenden Unterlagen entwickelt werden. / Vibratory conveyors are continuous conveyors which move the materials to be conveyed by periodic vibrations of the conveyor chute. Vibrating conveyors are used in handling technology, the supply of micro components and fine powders, as well as in bulk material processing heavy industry. Within this work the state of the art of vibratory conveyors and alternative interpretations of the conveyor movement are introduced. Afterwards further analytical approaches are discussed. Subsequently, interfering processes, which occur during the transport of the materials on vibratory conveyors are classified and mathematically described. To simulate vibrating spiral conveyors and linear vibration conveyors using the sliding, throwing or sticking-glide conveyor principle in the software LIGGGHTS, a software extension was developed. This extension includes two software modules, to define the movements of imported CAD geometries on the basis of as Fourier series defined harmonic oscillations. The viblin command module allows the definition of translatory vibrations. The module vibrot allows the definition of rotational vibrations around a fixed axis. Both motion modules allow the definition of complex vibrational states of the CAD geometries. Investigations of the micro processes within a working period showed all necessary sections of the force and speed progression on the conveyed particles for the conveyor principles of micro throw and slide. The validations constitute the basic function of the DEM as a simulation tool in the vibratory conveyor technology. The final parameter studies can be used to develop calibration methods to describe the motion of particles on vibrating plates