Systematische Betrachtung von Technologien für den Umschlag von Paketen im Pulk und deren Simulation mit der Diskrete-Elemente-Methode

Abstract

Industrielle Anbieter von Technologien für den Umschlag von Paketen im Pulk nutzen häufig die Diskrete-Elemente-Methode (kurz: „DEM“), um die Funktionsweise von Entladelösungen und den damit verbundenen Durchsatz zu analysieren. Zusätzlich zur Analyse des Materialflusses der Pakete, kann eine Anlage virtuell in Betrieb genommen werden, indem die Steuerung der Fördertechnik emuliert wird. Für die Emulation ist die Echtzeitfähigkeit der Modelle relevant, die mit zahlreichen, heute verfügbaren Physik-Engines und einem vergleichsweise hohen Zeitschritt erreicht werden kann. Diese sogenannte »Non-smooth DEM« steht im Verdacht, den Materialfluss von Paketen im Pulk nicht so genau abzubilden wie die sogenannte »Smooth DEM«, bei der der Zeitschritt im Vergleich kleiner ist. Für die Untersuchung von dieser These wurde ein Pulkaufgabeversuchsstand für den Umschlag von 100 Stückgütern (hauptsächlich DHL Packsets XS und S) entworfen, gebaut und in Betrieb genommen, um die Versuchsergebnisse anhand von den eingeführten Validierungskriterien Massenstrom, Pulkausprägung und Stoßbelastung mit der DEM-Simulation zu vergleichen. Für die »Smooth DEM«-Simulation von diesem Pulkaufgabeversuch wurde nicht die sogenannte »Multi-Sphere«-Approximation verwendet, weil die Modellierung der Oberfläche eines Paketes nur mit vielen Primär-Partikeln möglich ist, was zu hohen CPU-Rechenzeiten führt, die für die Anwendung in der industriellen Praxis ungeeignet sind. Außerdem hängen die für die Paketaufgabe im Pulk relevantesten Stückgut-Eigenschaften Reibung (Kalibrierung mit dem Schiefe-Ebene-Versuch) und – je nach verwendeter DEM-Software – auch das Rücksprungverhalten (Kalibrierung mit dem Fallversuch) von der Anzahl und Größe der Partikel im Kontakt ab, was die Kalibrierung von einheitlichen Haftreibungs- und Restitutionskoeffizienten erschwert. Stattdessen wurde die sogenannte »Superquadric«-Formapproximation verwendet, mit der wesentlich kürzere CPU-Rechenzeiten möglich sind, weil jedes Paket nur mit jeweils einem Partikel modelliert wird, dessen Form mit der sogenannten »Blockiness« eingestellt wird. Dieser Parameter wurde bei der Kalibrierung der Parameter des DEM-Kontaktmodells schwerpunktmäßig untersucht, um den besten Kompromiss aus Formapproximation und CPU-Rechenzeit zu finden. Durch die Gegenüberstellung der »Smooth DEM«- und »Non-smooth DEM«-Simulation des Pulkaufgabeversuches mit den Versuchsergebnissen wurde die These verifiziert, dass die »Smooth DEM« den Massenstrom von Paketen im Pulk genauer vorhersagen kann als die »Non-smooth DEM«. Auch der durch die Pulkaufgabe auf eine mit Datenlogger ausgerüstete Sensorbox aus Plexiglas® wirkende Stoß konnte durch die Kalibrierung der Elastizitätsmoduln von Partikeln und Kontaktflächen innerhalb der Standardabweichung des realen Stoßes mit der »Smooth DEM« simuliert werden, weil dieser ein sogenannter »soft particle approach« zugrunde liegt. Diese Erkenntnisse wurden mit dem »Blockiness«-Wert der »Superquadrics« von n = 5 erreicht, was die Kalibrierung der Parameter des DEM-Kontaktmodells ergeben hat. Mit dieser vergleichsweise niedrigen »Blockiness« konnte der 30 Sekunden lang dauernde Pulkaufgabeversuch in ungefähr fünf Stunden simuliert werden, während das vergleichsweise ungenauere Simulationsergebnis der »Non-smooth DEM« in Echtzeit entsteht. Diese Arbeit ist für Anwender von Bedeutung, die den Umschlag von Paketen im Pulk nicht nur schnell, sondern auch genau simulieren möchten.

Industrial suppliers of technologies for parcel handling in bulk mode often use the discrete element method (in short: ”DEM”) to analyse the operation and throughput of unloading equipment. In addition to analysing the material flow of the parcels, a system can be virtually commissioned by emulating the controls of the conveyor equipment. For emulation, the real-time capability of the models is relevant, which can be achieved with several physics engines available today and a comparably high time step. In comparison to the so-called ”Smooth DEM”, which has smaller time steps, the so-called ”Non-smooth DEM” is considered to represent the material flow of parcels in bulk mode less accurately. For the investigation of this hypothesis, a bulk handling test plant for the handling of 100 loads (mainly DHL Packsets ”XS” and ”S”) was designed, built and operated to compare the experimantal results with DEM simulation based on the validation criteria of mass flow, bulk profile and impact load. For the Smooth DEM simulation of this bulk handling test, the so-called ”multi-sphere approximation” was not used, because modeling the parcel surface is only possible with many particles, which lead to high CPU computing times unsuitable for industrial application. In addition, the most relevant parcel properties for bulk feeding, being friction (calibration with the inclined plane test) and – depending on the used DEM software – also rebound (calibration with the free fall test) rely on the number and size of particles in contact, impeding calibration of uniform static friction and restitution coefficients. Instead, the so-called ”superquadric approximation” was used, allowing significantly shorter CPU computing times because each parcel is modeled with only one particle at a time, whose shape is set with the so-called ”blockiness”. This parameter was analyzed in detail during the calibration of the parameters of the DEM contact model in order to find the best compromise between shape approximation and CPU computing time. The hypothesis that the Smooth DEM can predict the mass flow of parcels in bulk mode more accurately than the Non-smooth DEM was verified by comparing Smooth DEM and Non-smooth DEM simulation of the bulk handling test with the experimental results. The shock resulting on a sensor box made of Plexiglas® and equipped with a data logger could be simulated by calibrating the elastic moduli of particles and contact surfaces within the standard deviation of the experimental impact with the Smooth DEM being based on a soft particle approach. These observations were made with the superquadrics’ blockiness value of n = 5, which was the result of calibrating the parameters of the DEM contact model. With this relatively low blockiness, the 30-second bulk handling test could be simulated in about five hours, while the less accurate simulation result of the Non-smooth DEM is produced in real time. This work is valuable for users who want to simulate the handling of parcels in bulk mode not only quickly but also accurately.