Figure 5 - uploaded by André Katterfeld
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The numerical complexity of Discrete Element Method (DEM) simulations generally forces an idealisation of DEM models, making the calibration process the key to realistic simulation results. When calibrating cohesionless, free-flowing bulk materials, individual simple experiments are commonly used as reference for the calibration, such as the angle...
Contexts in source publication
Context 1
... 4 shows the results of the AoR of the lifting cylinder test (a) and the shear angle of the shear box test (b) as a function of the coefficient of sliding friction and rolling friction. Analogous, Figure 5 shows the results of the draw down test, namely the AoR in the lower box (a) and the shear angle (b) in the upper box. The grey coloured areas mark the experimental reference angle of each test considering a deviation interval of ± 1.5 deg. ...
Context 2
... contrast, it can be seen that each angle can be simulated by a multitude of combinations of both coefficients of friction. Furthermore, it can be stated that the range of permissible parameters which result in the reference value is significantly higher of the AoR result in the lower box (see Figure 5). This is generally disadvantageous for the limitation of the permissible parameter combinations. ...
Citations
... The calibration of a DEM model for non-cohesive materials has been studied by several authors [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13], as summarised and reviewed by Coetzee [14], who introduced two philosophies. In the Direct Measuring Approach, the material properties are measured at the particle and contact level and directly used in the model. ...
... For a detailed review of electrostatic forces in granular flow, see Zhao et al. [20]. 10 Comparison of theoretical inter-particle force magnitudes (adapted from [17]). Reproduced with permission from Powder Technology; published by Elsevier, 2000. ...
Granular materials are abundant in nature, and in most industries, either the initial constituents or final products are in granular form during a production or processing stage. Industrial processes and equipment for the handling of bulk solids can only be improved if we can understand, model and predict the material behaviour. The discrete element method (DEM) is a numerical tool well-suited for this purpose and has been used by researchers and engineers to analyse various industrial applications and processes. However, before any bulk scale modelling can be undertaken, the input parameters must be carefully calibrated to obtain accurate results. The calibration of parameter values for non-cohesive materials has reached a level of maturity; however, the calibration of cohesive materials requires more research. This paper details the most prevalent contact models used to model cohesive materials-presented in a consistent notation. Moreover, the significant differences between the models are highlighted to provide a reference for engineers and researchers to select the most appropriate model for a specific application. Finally, a critical review of calibration experiments and methodologies often used for cohesive materials is also presented. This provides a solid basis for DEM practitioners to select the most appropriate calibration methodology for their application and for researchers to extend the current state-of-the-art practices.
... According to the literature, a specific experiment could be applied for the calibration of specific parameters. Since the angle of repose test is independent of the variation of Poisson's ratio, density, and Young's modulus of particles [32,33], it could be applied for the calibration of friction coefficients as conducted by Katterfeld and Rössler [34] on coarse gravels. Coetzee [35] provided different strategies for the calibration of spherical and non-spherical particles. ...
The discrete element method (DEM) is widely used for the simulation of ballast behavior under static and dynamic loading conditions. Due to the irregular shape of ballast particles, the simultaneous influence of multiple parameters (i.e., static and rolling friction coefficients, Young's modulus, Poisson's ratio, and restitution coefficient) should be considered when calibrating DEM input parameters for ballast particles, which poses a challenge. To reduce the influence of shape factors on the bulk behavior of ballast samples, a series of clumps for describing the shape of particles comprised of 17–24 balls are first created and generated. In the following, an efficient calibration method is proposed with four different tests, including the hollow cylinder test, confined compression test, direct shear test, and ballast box test. The order of the implemented tests is important due to the effect of the variation of friction coefficients on the results of all tests. Since the angle of the repose test is insignificantly influenced by contact and damping parameters due to the lack of external force on the ballast sample, firstly, the calibration of particle friction coefficients is performed by several repose angle tests. Thereafter, the direct shear test is used to calibrate particle Young's modulus and Poisson's ratio. Finally, the restitution coefficient of particles is calibrated by DEM modeling of ballast box tests under cyclic loading. The proposed method would be helpful for the calibration of ballast particle properties which is a necessary stage before the simulation of any experiments.
This research work aims to develop a robust methodology for the global estimation of interaction parameters
based on machine learning, applicable to the discrete element method (DEM) in the study of granular materials.
The specific objectives include establishing a theoretical framework that relates the interaction micro-parameters
with the macro-parameters and the physical behaviour of the material; performing DEM simulations for different
material parameters; developing a machine learning-based model for global parameter estimation; and consol
idating the methodology for obtaining micro-parameters for a given material and behaviour. The methodology
will be applied specifically to the case of dry copper ore, evaluating its limitations and the possibility of extension
to materials with other characteristics. This approach does not consider direct experimental tests, but focuses on
the characterisation of the relationship between the input parameters of the material and its response through
simulations, validating the response and sensitivity of the model in its different stages. The methodology is
expected to allow the systematic estimation of interaction properties for a DEM model, considering microparameter duplicities and their global selection, aspects little addressed in the literature. The final verification
includes mechanisms and key questions that facilitate future modifications and improvements, allowing its
application to materials of different characteristics beyond the specific case study.
Der Schöpfwiderstand ist bei der Schüttgutförderung mit Becherwerken neben dem Hubwiderstand des Schüttguts eine für den Energiebedarf der Gesamtanlage entscheidende Größe. Der Schöpfwiderstand wird von der Becherform und Becherteilung, der Beschickungsart, der Zugmittelgeschwindigkeit sowie der Kohäsivität des Schüttguts beeinflusst. Eine Ursache für die Abhängigkeit des Schöpfwiderstandes von der Zugmittelgeschwindigkeit und der Kohäsivität des Schüttgutes liegt im Effekt des sogenannten Bechernickens. Als Bechernicken wird die Drehbewegung der Becher um ihren Befestigungspunkt am Zugmittel definiert. Das Bechernicken tritt beim Übergang der Becher von der kreisförmigen in die geradlinige Bewegung aufgrund der ruckartigen Verringerung der Becheraußenkantengeschwindigkeit auf. Bei hohen Becherfüllungsgraden kann aufgrund dessen bereits gefördertes Gut aus dem Becher geschleudert werden. Zum Erreichen des notwendigen Massenstroms muss mehr Gut geschöpft und gehoben werden. Dies hat einen schlechteren Wirkungsgrad der Förderanlage zur Folge. Eine weitere Einflussgröße auf die Effektivität des Fördervorgangs schnelllaufender Becherwerke ist das laterale Schwingen der Becher im freien Becherstrang. Beim Auflaufen der Becher auf die Umlenktrommeln erfahren die Becher und das Schüttgut aufgrund dynamischer Kräfte eine theoretisch unendlich große Beschleunigung auf die Bahnkurve der Antriebs- bzw. Spanntrommel. Dies ist jedoch physikalisch unmöglich. Der Becher führt daher zunächst eine Drehbewegung entgegen der Bahnkurve durch, um anschließend auf den Umlenkradius der Trommel einzuschwenken. Dieses Pendeln der Becher überträgt sich im nachfolgenden Becherstrang in Form einer gedämpften Schwingung. Bereits gefördertes Gut kann bei hohen Becherfüllungsgraden aus den Bechern in Richtung des Becherwerkfußes zurückfallen. Dieses Gut muss anschließend erneut geschöpft und gehoben werden. Weiterhin wird die Becher- Gurt-Verbindung, der Becherrücken und der Gurt durch die Biegewechsel belastet. Zur Analyse des Bewegungsverhaltens schnelllaufender Becherwerke wird in dieser Arbeit eine Simulationsmethode zur Berechnung des Bewegungsverhaltens von Maschinenmodellen im Kontakt mit Schüttgütern implementiert. Dabei werden die bekannten Methoden der Diskrete Elemente (DEM) Simulation und der Mehrkörpersimulation (MKS) auf Programmebene gekoppelt. Die Simulationsergebnisse der gekoppelten DEM-MK-Simulation werden anhand eines analytisch lösbaren Beispiels verifiziert. Zum Nachweis, dass die entwickelte Methode geeignet ist, das Bewegungsverhalten realer Förderanlagen und Maschinen im Kontakt mit Schüttgut abzubilden, wird ein vereinfachtes Mehrkörpersimulationsmodell des Versuchsbecherwerkes verwendet. Die Simulationsergebnisse des vereinfachten Versuchsstandes werden mit den experimentell ermittelten Ergebnissen verglichen. Die gekoppelte DEM-MK-Simulationsmethode wird in dieser Arbeit zur Ermittlung des Schöpfwiderstandes und der Schöpfarbeit eines Senkrechtbecherwerkes angewendet. Es wird der Einfluss der Beschickungsrichtung und der Kohäsivität des Schüttguts analysiert. Der Einfluss der Bechernickens auf das Entleerungsverhalten des Versuchsbecherwerkes wird für unterschiedliche Vorspannungen experimentell untersucht und den Simulationsergebnissen gekoppelter DEM-MK-Simulationen gegenüber gestellt. Abschließend wird die Methode der gekoppelten DEM-MK-Simulation für die Entwicklung einer neuen Umlenkgeometrie am Becherwerkfuß angewendet, welche den negativen Einfluss des Bechernickens auf den Schöpfwiderstand reduzieren kann.
