Verifikation eines methodischen Kalibrierungsverfahrens für Diskrete-Elemente-Methode-Parameter unter Einbeziehung des Rayleigh-Zeitschritts

Jährlich werden weltweit circa zehn Milliarden Tonnen granularer Materie, Pulver oder ähnliche Gemenge hergestellt. Diese Stoffe werden im Bereich des Materialflusses und der Logistik als Schüttgüter bezeichnet und sind in vielen Industriezweigen der bevorzugte Zustand für Handhabung und Transport. Die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) wird seit den 2000er Jahren mit steigender Tendenz zur numerischen Simulation von Schüttgütern und deren Interaktion mit Versuchsvorrichtungen und Anlagen angewandt. Beispiele für Anwendungen der DEM sind die Simulation von Transportvorgängen, Fließproblemen oder die Analyse von Mischprozessen. Wie für numerische Simulationsmodelle des Ingenieurwesens üblich, müssen auch für DEM-Modelle Parameter festgelegt werden. Hierbei beziehen sich diese Parameter auf die spezifischen Eigenschaften des zu diskretisierenden Schüttguts, d. h. dessen Materialeigenschaften und den Kontakt der Schüttgutpartikel untereinander und mit ihrer Umgebung. Das Problem bei DEM-Modellen ist, dass physikalisch messbare Kenngrößen aus verschiedenen Gründen nicht direkt in die Simulation übernommen werden können, sondern abhängig von der konkreten Anwendung kalibriert werden müssen. Die vorliegende publikationsbasierte Dissertation beschäftigt sich mit der Parametrierung von Material- und Kontaktparametern für die DEM. Es wird ein durchgehendes, methodisches Verfahren beschrieben, welches den Prozess der DEM-Parameterfindung für Anwender vereinfacht und komplexe Problemstellungen bei der Parameterfindung beherrschbar macht. Das Kalibrierungsverfahren kombiniert Latin hypercube sampling, Kriging und ein multivariates Optimierungsverfahren, um geeignete DEM-Parametersätze zu identifizieren. Zudem wurde der Rayleigh-Zeitschritt als zusätzliche Zielgröße für den Optimierungsalgorithmus übernommen, um numerisch effiziente Parametersätze zu erhalten. Der entwickelte Kalibrierungsprozess wurde mittels open-source Software in ein automatisch ablaufendes Verfahren umgesetzt und konnte erfolgreich getestet, verifiziert und auf seine Robustheit hin überprüft werden. Es wurde demonstriert, dass die mittels des Verfahrens kalibrierten Parametersätze in der Lage sind, die schüttgutbezogenen Zielgrößen Böschungswinkel und Schüttdichte korrekt abzubilden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Rayleigh-Zeitschritt aktiv in die Kalibrierung von DEM-Parametern einbezogen werden kann und somit numerisch effizientere Parametersätze gefunden werden, ohne die schüttgutbezogenen Zielgrößen zu stark zu beeinflussen. Die Eignung des Böschungswinkels als Zielgröße für die Kalibrierung von DEM-Parametersätzen konnte bestätigt werden. Gleichwohl wurde belegt, dass der Böschungswinkel nicht für alle kohäsionslosen Schüttgüter zweckmäßig ist.