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3D-Simulation Fördertechnik digitalisieren und virtualisieren

Autor / Redakteur: Eric Fimbinger / Sabine Mühlenkamp

Partikel haben selten eine Idealform, dennoch geschieht die Simulation immer noch häufig mit kugelförmigen Partikeln. Einen wesentlich realitätsnäheren Weg schlägt nun die Forschungskooperation zwischen dem Lehrstuhl für Bergbaukunde an der Montanuniversität Leoben und Becker 3D ein.

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Virtuelle Modellierung komplexer Partikelformen mit Three Particle/CAE
Virtuelle Modellierung komplexer Partikelformen mit Three Particle/CAE
(Bild: www.pellet-ofen-scheune.com; Uni Leoben, Becker 3D)

Die Schüttgutsimulation fördertechnischer Anlagen mithilfe der Diskrete Elemente Methode (DEM) ist mittlerweile zu einem der wesentlichen Entwicklungstools führender Unternehmen der Schüttgutindustrie geworden. Weiterentwicklungen dieser etablierten Simulationsmethode, mit dem Ziel komplette Förderanlagen in numerischen Simulationen verhaltensgetreu abzubilden sowie Simulationsergebnisse zur weiteren Analyse in nur wenigen Stunden zu erhalten, werden in aktuellen Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Bergbaukunde der Montanuniversität Leoben vorangetrieben. Im Fokus der Forschung und Entwicklung liegt die Ermittlung relevanter Auslegungs- und Betriebsparameter fördertechnischer Anlagen, wobei durch Berücksichtigung von Einflüssen auf das Systemverhalten, wie mechanische Beanspruchungen und dynamische Effekte aus den Interaktionen zwischen Schüttgut und Anlagenkomponenten, realitätsnahes Anlagenverhalten simuliert werden kann, welches über konventionelle computerunterstützte Berechnungsverfahren bisher so nicht erfasst werden konnte.

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Neueste Softwaretechnologie als Grundlage für Fortschritt

Die Modellierung mit kugelförmigen Partikeln ist die bisher übliche Herangehensweise um das Verhalten von granularen Medien mit der DEM abzubilden. Um jedoch reale Schüttgüter mit ausgeprägter Korngeometrie und deren Interaktionen (untereinander wie auch mit Anlagenkomponenten) möglichst realitätsgetreu abzubilden, ist die Verwendung komplexer Partikelformen unumgänglich.

Neue Möglichkeiten zur Simulation komplexer Partikelformen umfasst die im Forschungsprojekt eingesetzte DEM-Software Three Particle/CAE, womit neben kugelförmigen Partikeln auch zylinder-, ellipsen-, box-, kapselförmige sowie jegliche benutzerdefinierte Freiformen generiert werden können. Auch ein beliebiges Zusammensetzen dieser Formen zu so genannten gebauten Partikeln ist möglich. Mithilfe dieser Technologien und einer engen Zusammenarbeit mit der Industrie wird es dem Wissenschaftlerteam ermöglicht, die Einsatzgebiete der DEM-Methode weiterzuentwickeln und Erkenntnisse für die Fördertechnik und deren Digitalisierung zu gewinnen sowie bisher nicht abbildbare Problemstellungen erfolgreich zu lösen. Mit Becker 3D wurde ein österreichisches Unternehmen als Forschungspartner gewonnen, welches spezialisiert auf 3D-Simulation mit Three Particle/CAE eine entsprechende DEM-Software bietet.

Die Auslegung stetiger Fördersysteme, im speziellen von Gurtförderanlagen, wird bis heute auf größtenteils normierten Berechnungsgrundlagen gestützt durchgeführt. Typischerweise gelten diese für konventionelle Gurtförderanlagen oder basieren auf bereits vorhandenen Erfahrungswerten. Bei der Konstruktion von Sonderbauformen oder der Entwicklung neuartiger Fördersysteme fehlt es jedoch üblicherweise an notwendigen Erfahrungsparametern zum Anlagendesign. Aus diesem Grund setzen viele Hersteller nach wie vor auf den Bau von Prototypen – zur Untersuchung der Anlagenfunktionalität, um kritische Bereiche frühzeitig zu erkennen und nach Bedarf wirksame Gegenmaßnahmen setzen zu können. Dabei bietet die digitale Abbildung gesamter Gurtförderanlagen eine gute Grundlage, um durch simulationsgestützte Konstruktion einerseits den kostenintensiven Prototypenbau zu reduzieren und andererseits auch kritische Betriebszustände virtuell abzubilden.

Einbeziehen des dynamischen Verhaltens in die Simulation

Üblicherweise wird bei der simulationsgestützten Konstruktion von Gurtförderanlagen das dynamische Zusammenspiel einzelner Anlagenkomponenten vernachlässigt. Mit den neu entwickelten Modellansätzen zur Kombination der Schüttgutsimulation mit dynamischem Anlagenverhalten wird dieses jedoch mitberücksichtigt. Dazu wird der gesamte Fördergurt – bestehend aus über ein spezielles Kontaktmodell miteinander verbunden Partikeln – aufgebaut.

Dieses, in Kooperation mit Becker 3D weiterentwickelte und in die Simulationssoftware implementierte Modell zur Gurtmodellierung liefert wertvolle Ergebnisse zur Gestaltung und Auslegung von Förderanlagen sowie Potenzial zur wissenschaftlichen Betrachtung von Vorgängen in derartigen Anlagen. Einer der wichtigsten Faktoren der entwickelten Simulationsmethodik ist die Kombination der Schüttgutsimulation mit dynamischem Gurtverhalten – in nur einer Simulation. Bisher konnten beide Bereiche (Schüttgut und Gurt) nur getrennt von einander betrachtet werden. Der neue Ansatz ermöglicht den Leobener Wissenschaftlern ein besseres Verständnis über komplexe Vorgänge in Gurtfördersystemen zu erhalten.

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Ein weiterer Vorteil dieser entwickelten Methode ist die hohe Effizienz: Simulationsergebnisse der virtuellen Förderanlage (virtueller Prototyp) stehen bereits nach wenigen Stunden zur Verfügung.

Neben der Durchführung von Prüfmethoden zur Ermittlung von Werkstoff und Systemparametern laufen auch Verifizierungsstudien bzw. sind in weiterer Folge Modellvalidierungen aufbauend auf den daraus gewonnenen Ergebnissen geplant, um einen erfolgreichen Einsatz der Methodik für die industrielle Anwendung zu gewährleisten. Erste Studien zur entwickelten Simulationsmethodik lieferten bereits vielversprechende Ergebnisse und zeigten komplexe Verhaltensmuster, wie sie in der Realität zu erwarten sind – und welche weder analytisch noch mit bisherigen numerischen Methoden in dieser Form berechenbar wären.

Die Digitalisierung der Fördertechnik durch die virtuelle Abbildung und Simulation ganzheitlicher Anlagen stellt ein enormes Potenzial für die Zukunft dar. „Es ist uns weltweit keine vergleichbare Forschungsarbeit bekannt, wie jene, die gerade am Lehrstuhl für Bergbaukunde durchgeführt wird“, unterstreicht Univ.-Prof. Dr. Nikolaus Sifferlinger die Wichtigkeit des Projektes.

Am österreichischen Lehrstuhl findet das neu entwickelte Verfahren bereits unterstützend im Designprozess Anwendung und liefert Informationen zur Gestaltung von Sondergurtförderanlagen. Dabei ermöglicht es neben einer Anlagenverbesserung durch Aufzeigen und Nutzen von Optimierungspotenzial vor allem eine frühzeitige Erkennung und Vermeidung kostenintensiver Konstruktionsfehler.

Ergänzendes zum Thema
Was verbirgt sich hinter der Software Three Particle?

Three Particle ist eine All-in-one 3D-Simulationsplattform für granulare Medien. Damit lassen sich multiphysikalische Systeme mit komplexen Partikelformen unter Berücksichtigung von Mehrkörperdynamik (MKS), Strukturmechanik (FEM) und Flüssigkeiten (CFD) simulieren – ohne Kopplung zu externen Paketen. Dabei erleichtert die einfache und intuitive Bedienung über eine neuartige Benutzeroberfläche den Simulationsalltag nachhaltig. Die Diskrete Elemente Methode (DEM)-Software wurde speziell an die hohen Ansprüche in der schnelllebigen Entwicklung neuer Anlagen und Prozesse angepasst, um genaueste Ergebnisse in kürzester Zeit zu erhalten. Durch den Einsatz neuester Technologien vereint die 3D-Simulationssoftware alles für die virtuelle Entwicklung in einem Softwareprodukt, ohne hohe Kosten für Prototypen zu verursachen. Dabei lässt sich die Software in den verschiedensten Branchen einsetzen, sei es um Anlagen in der Fördertechnik zu optimieren, den Verschleiß von Maschinen zu reduzieren oder in der Pharmaindustrie Tablettenbeschichtungen zu analysieren.

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