Simulation maschineller Erdbauprozesse - Baumaschine.de

15. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2010
Neue Trends und Technologien
Simulation maschineller Erdbauprozesse
Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kunze
Jun.-Prof. Dr.-Ing. A. Katterfeld
Dipl.-Ing. T. Grüning
Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Kunze
Institut für Verarbeitungsmaschinen und
Mobile Arbeitsmaschinen
TU Dresden
Münchner Platz 3
01187 Dresden
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Andre Katterfeld
Institut für Logistik und Materialflusstechnik
(ILM)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg

15. Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2010 Technische Universität München

G. Kunze, A. Katterfeld, T. Grüning Simulation maschineller Erdbauprozesse
Simulation maschineller Erdbauprozesse
Der erdstoffgebundene Arbeitsprozess von Baumaschinen stellt eine komplexe Interaktion
zwischen der Maschine selbst und dem jeweiligen Arbeitsmedium dar. Für eine optimale
und ressourcenschonende Auslegung der Maschine sowie deren Komponenten, ist ein
tiefgreifendes Verständnis über den stattfindenden Prozess entscheidend. Durch den Ein-
satz der Methode der Mehrkörpersysteme sowie deren domänenübergreifende Erweite-
rung um Hydraulik, Antriebs-, Regelungs- und Steuerungstechnik kann das Verhalten von
Baumaschinen simuliert werden, ohne jedoch die prozessbezogenen Lasten zu berück-
sichtigen. Computersimulationen basierend auf der Diskreten Elemente Methode bieten
die Möglichkeit, das Verhalten von Erd- und Baustoffen zu beschreiben, allerdings ohne
den Einfluss der genauen Baumaschinendynamik mit einzubeziehen. Realistische Simula-
tionen maschineller Erdbauprozesse sind nur möglich, wenn eine Kopplung der ganzheit-
lichen Maschinensimulation mit einer Methode zur Erd- und Baustoffsimulation umgesetzt
werden kann. Das vorliegende Paper gibt eine Einführung in die dafür erforderlichen
Grundlagen sowie dem Kopplungsprinzip, welches für eine Simulation des Erdbauprozes-
ses mit einem Radlader beispielhaft umgesetzt wurde.
1 Einleitung
Die Methode der Simulation hat sich in vielen Branchen als fester Bestandteil des moder-
nen Produktentwicklungsprozesses etabliert. Besonders im Bereich der Komponenten-
auslegung haben sich die Finite Elemente Methode (FEM) z. B. für
Festigkeitsberechungen und Computational Fluid Dynamic Analysen (CFD-Analysen) zur
Strömungsberechnung in hydraulischen und pneumatischen Bauelementen durchgesetzt.
Die Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) findet hingegen bei der Schwingungs- und
Fahrdynamikanalyse ganzer Maschinen Anwendung.
Bau- und Gewinnungsmaschinen der Zukunft müssen gezielt für die Arbeitsprozesscha-
rakteristik ihres Einsatzes dimensioniert werden. Für die Bemessung und Auslegung sind
die Belastungen und Zustände der Maschine, die sich aus dem Arbeitsprozess ergeben
von entscheidender Bedeutung. Diese müssen, um sichere und aussagekräftige Ergeb-
nisse zu erzielen, schon in den virtuellen Entwicklungsprozess einbezogen werden. Ande-
renfalls ist eine optimale Auslegung der Maschine und deren Bauteile nicht ohne entspre-
chende Feldtests möglich.
Auf Grund des schlechten Verhältnisses zwischen den hohen Stückkosten und geringen
produzierten Stückzahlen solcher Geräte, das aus den langen Lebenszyklen und zahlrei-
chen Varianten eines Maschinentyps resultiert, ist der Bau und Test von Prototypen in der
Baumaschinenbranche besonders unpraktikabel sowie ökonomisch und ökologisch un-
günstig.
Mit der Simulation sind Untersuchungen an virtuellen Prototypen in virtuellen Umgebungen
möglich. Schon in den frühen Produktphasen ist der Einfluss von unterschiedlichen
Varianten und Parametersätzen auf das Systemverhalten analysierbar, ohne reale Ma-
schinen bauen und mit kostspieliger Messtechnik ausstatten zu müssen. An dieser Stelle

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muss jedoch angemerkt werden, dass mit gegenwärtigen Simulationsprogrammen zwar
das Maschinenverhalten jedoch nicht der maschinelle Arbeitsprozess, also der Umgang
mit Bau- und Erdstoffen wie in Bild 1 exemplarisch dargestellt, in hinreichender Genauig-
keit abgebildet werden kann.
Die Hauptursache liegt in der Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Maschine und
Arbeitsmedium beim Werkzeugeingriff. Zum einen übt das Arbeitsmedium einen Einfluss
auf das Maschinenverhalten aus und zum anderen beeinflusst die Maschinendynamik das
Verhalten des Arbeitsmediums.
Quelle: www.liebherr.com
Quelle: www.takraf.com
Quelle: www.volvo.com
Radlader Surface Miner Dozer
Befüllen der Ladeschaufel durch
Eindringen in Stoff
Transportieren des Stoffes von
der Quelle zur Senke
Entleeren der Ladeschaufel durch
die Schwerkraftwirkung auf den
Stoff
Lösen des Stoffes im Meißel-
/Werkzeugeingriff
gewolltes bzw. ungewolltes
Versetzen und Transportieren des
Stoffes im Meißel-
/Werkzeugeingriff
Bild 1: Arbeitsmaschinen mit ihren stofflichen Prozessfolgen
Gewinnen und Befüllen von
Werkzeug / Schild mit Stoff
Versetzen /Transportieren des
Stoffes im Schild
Einbauen des Stoffes aus dem
Schild
Im Folgenden wird eine Methode zur multiphysikalischen Simulation von maschinellen
Erdbauprozessen mit dem Ziel der Berechnung realitätsnaher Maschinenlasten und
Systemzustände vorgestellt. Diese wurde in einer Zusammenarbeit der Technischen
Universität Dresden und der Universität Magdeburg am Beispiel des Erdbauprozesses
eines Radladers umgesetzt.
2 Ganzheitliche Simulation von Baumaschinen
Jede Anwendung einer Maschinensimulation stellt verschiedene Anforderungen z. B. an
die Ein- und Ausgabeinformationen oder die Echtzeitfähigkeit. Aus diesem Grund wird ein
flexibles Simulationswerkzeug benötigt, das all diesen Anforderungen gerecht wird.
Bild 2 zeigt eine Methode zur Simulation von technischen Systemen in virtuellen Umge-
bungen mit dem Software Framework SARTURIS [Pen-06]. Es wurde an der Professur für
Baumaschinen und Fördertechnik der Technischen Universität Dresden zielgerichtet für
die interaktive Simulation von Baumaschinen entwickelt [Pen-07].
Das Softwareframework basiert auf C++, nutzt frei verfügbare Bibliotheken, ist plattform-
unabhängig und bietet flexible Hardwareintegrationen neben einer leistungsfähigen Visua-
lisierung basierend auf OpenSceneGraph [OpS-10]. SARTURIS ermöglicht diverse Simu-
lationsanwendungen für Modelle technischer Systeme und eignet sich dadurch sowohl für
Untersuchungen des Maschinenverhaltens am Computer oder Laptop als auch für inter-

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aktive Simulationen, z. B. durch die Nutzung einer Bewegungsplattform. Ein weiterer Vor-
teil der modularen Architektur von SARTURIS ist, dass eine Kopplung zu einer externen
Software sehr einfach realisiert werden kann [Kun-10].
CAD
Mehrkörpersystem
PyMbs
Hydraulik-
Bibliothek
Antriebs-
Bibliothek
Regelung/
Steuerung
Visualisierung
(OpenScenegraph)
Gesamtmodell
Eingaben
(Joystick, GUI)
Simulation
Ausgaben
(CAN, Simulator)
Bild 2: Übersicht zum Softwareframework SARTURIS
Anwendungen
Zur Erstellung von Modellen für eine Simulation ist die Modellierungssprache Modelica
ideal geeignet [Fri-04]. Sie wurde speziell zur Unterstützung domänenübergreifender Mo-
dellierungen entwickelt. Die Modellbeschreibung erfolgt damit gleichungsbasiert und ob-
jektorientiert und ist somit wieder verwendbar und einfach zu warten. Durch die akausale
Beschreibung ist sie zudem noch sehr flexibel. Die Einbindung von Modelica-Modellen in
SARTURIS wurde unter der zur Hilfenahme von OpenModelica [OpM-01] komplett auto-
matisiert und bietet somit dem Anwender eine komfortable Simulationserstellung [Fre-
09a].
Um signifikante Ergebnisse zu erzielen, muss ein vollständiges Modell der gesamten Ma-
schine inklusive Mechanik, Hydraulik, Antriebs- sowie Regelungs- und Steuerungstechnik,
also ein multiphysikalisches Modell implementiert werden. Basierend auf Modelica mit
seinen Vorteilen wurde eine Modell-Bibliothek erstellt, in der sowohl hydraulische Bauteile
als auch Antriebs-, Regel- und Steuerelemente implementiert wurden.
Das Mehrkörpersystem (MKS), also die Mechanik, bildet einen weiteren essentiellen Teil
des Maschinenmodells. An der Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik der TU
Dresden wurde für eine komfortable Modellierung holonomer MKS ein Programm namens
PyMbs entwickelt. PyMbs steht für Python Multibody system und erfüllt spezielle Anforde-
rung für die Modellierung von Arbeitsmaschinen und darüber hinaus generelle Anforde-
rungen an Echtzeit-Simulationen [Fre-09a]. Es wurde in Python geschrieben und erlaubt
das Erstellen von MKS durch die Definition von Körpern und deren Verbindung mit Gelen-
ken. Kraftelemente und Sensoren können ebenfalls zum System hinzugefügt werden, um
externe Kräfte und Momente zu berücksichtigen oder das Systemverhalten zu analysie-
ren.

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Unter zur Hilfenahme von sympy [Sym-10] generiert PyMbs die symbolischen Bewe-
gungsgleichungen von beliebigen holonomen MKS mit der Standardform:
p
v
T
Φ
Mv
h f λ
p
Φ
p 0,
bei der p der Vektor der generalisierten Positionen ist, v der Vektor der generalisierten
Geschwindigkeiten, λ der Vektor der Zwangskräfte bzw. der Lagrangschen Multiplikato-
ren, M die positiv definite System-Massenmatrix repräsentiert, h der Vektor der gyroskopi-
schen und Zentrifugalkräfte ist, f der Vektor aller externer und elastischer Kräfte und Φ
alle holonomen Zwangsbedingungen beinhaltet.
Eine 3D-Visualisierung (siehe Bild 3) ermöglicht es dem Benutzer, das erstellte Modell
durch Manipulation der Gelenkfreiheitsgrade über Schieberegler auf Konsistenz zu über-
prüfen. Des Weiteren bietet PyMbs eine effektive und stabile Lösung, um kinematische
Schleifen, wie sie bei Baumaschinen vorwiegend in der Arbeitskinematik auftreten, zu
lösen [Sch-10].
Bild 3: 3D-Visualisierung von PyMbs
Die erstellten Bewegungsgleichungen des Modells werden von PyMbs analysiert und hin-
sichtlich einer schnelleren Berechnung optimiert, bevor sie in diverse Ausgabeformate,
wie MATLAB, Modelica, Python, C++ oder Fortran, exportiert werden können.
Zusammen mit dem Modelica-Export des MKS aus PyMbs und den erstellten Modelica-
Bibliotheken für Hydraulik, Antriebs-, Regelungs- und Steuerungstechnik können ganz-
heitliche domänenübergreifende Modelle von Baumaschinen systematisch erstellt wer-
den. Mit dem daraus resultierenden Modelica-Gesamtmodell der Maschine ist nun die
Durchführung von Simulationen mit SARTURIS möglich.
Auf diesem Weg kann das strukturmechanische Verhalten der gesamten Maschine simuliert
werden. Für eine effektive Nutzung der Simulation im Konstruktions- und Ausle-

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gungsprozess sollten jedoch der Arbeitsprozess und die daraus resultierenden Lasten auf
die Maschine bzw. das Werkzeug mitsimuliert werden. Für die Bestimmung von z. B.
Grabkräften an Baggern wurden unter anderen analytische Ansätze entwickelt, über die
[Kun-02] eine Übersicht gibt. Diese berücksichtigen jedoch die bidirektionalen Wechselwirkungen
zwischen Arbeitsmedium und Werkzeug nicht. In den letzten Jahrzehnten wurden
zur Berechnung des Verhaltens granularer Materialien numerische Methoden, wie die
Diskrete Elemente Methode (DEM) entwickelt. Neben dem makroskopischen Material-
und Materialflussverhalten liefern sie auch die Systemlasten (die resultierenden Kräfte
und Momente) und Interaktionskräfte zur Materialumgebung. Ähnlich wie die FEM, CFD
und MKS findet die DEM auf immer mehr Fachgebieten Anwendung und soll im Folgenden
hinsichtlich ihres Potenzials zur Prozesssimulation vorgestellt werden.
3 Simulation von Erd- und Baustoffen
In den letzten Jahren konnten sich Simulationen basierend auf der Diskreten Elemente
Methode, kurz DEM-Simulationen, als universell verwendbares Analyse- und Optimie-
rungswerkzeug für akademische und industrielle Problemstellungen mit
partikelmechanischem Hintergrund etablieren. Eine Vielzahl von DEM Anwendungen
können auf dem Gebiet der Schüttgutfördertechnik gefunden werden. Dies unterstreicht
die beeindruckende Anzahl DEM bezogener Beiträge auf bedeutenden internationalen
Konferenzen wie der WPTC 2010 1 oder CHOPS 2009 2 . Die industriellen Anwendungen im
Bereich der Rohstoffgewinnung konzentrieren sich vorwiegend auf die Simulation von
Schüttgutübergabestellen ([Gri-10], [Kat-07], [Kat-09a], [Nor-03]). Andere DEM Anwen-
dungen, z. B. die Simulation der Prozesse in Kugelmühlen, Mischern und Schaufelrad-
baggern, gewinnen ebenfalls in der Industrie zunehmend an Bedeutung.
Für eine algebraische Modellierung müssen die Partikel des betrachteten Stoffes durch
definierte geometrische Objekte beschrieben werden. Aus Gründen der rechnerischen
Leistungsfähigkeit werden Kugeln und Gebilde aus Kugeln (Konglomerate) bevorzugt. Die
Partikel an sich werden als starr (unelastisch) betrachtet, können sich jedoch überlappen.
Dies wird als Kontaktdeformation mit einer elastischen Kontaktkraft interpretiert, die von
dem jeweils angewandten Kontaktmodell abhängig ist. Die Summierung aller Kontaktkräf-
te, die auf die Partikel wirken, führt zu deren resultierenden Kräfte und Momente. Diese
werden zur Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichungen eingesetzt. Mit Hilfe der
zugehörigen Masse und dem Trägheitsmoment sowie der Integration über kleine Zeit-
schritte lässt sich die neue Position der Partikel berechnen, was wiederum zu einer erneu-
ten Kontaktberechnung führt. Beide Berechnungsschritte werden wie beschrieben alter-
nierend wiederholt, bis die gewünschte Simulationszeit erreicht ist. Für weitere Informati-
onen über die Grundlagen der DEM-Simulation sei auf [Kat-06] verwiesen.
1 6 th World Congress of Particulate Technologies, Nürnberg, April 2010
2 6 th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Brisbane, August 2009

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In vielen Fällen wird die DEM zur Bestimmung des Fließverhaltens von Gutströmen, d. h.
zur Bestimmung der zeitlich veränderlichen Partikelpositionen und dem Geschwindig-
keitsprofil eingesetzt. Solche Ergebnisse können als Standardausgabe einer DEM-
Simulation bezeichnet werden. Die DEM-Simulation liefert jedoch nicht nur solche qualita-
tiven Ergebnisse sondern auch quantitative in Form von Kräften und Momenten auf belie-
bige Bauteile. Diese quantitativen Ergebnisse können als Lastannahmen für andere Simu-
lations- und Berechnungsmethoden, z. B. FEM oder MKS-Simulationen, verwendet wer-
den.
Die meisten DEM-Simulationen verbindet eine Gemeinsamkeit. Obwohl die mechani-
schen Bauteile des Simulationsmodells („walls“) komplexe Geometrien besitzen können
und sich in allen sechs Freiheitsgraden frei bewegen können, können sie nicht wirklich mit
den DEM-Partikel interagieren. Das bedeutet, dass die Maschinenteile nicht ihre Bewe-
gung auf Grund der Interaktion mit den Partikeln ändern. Für viele Anwendungen ist das
auch nicht nötig und die Bewegung der Maschinenteile kann direkt vom Benutzer vorge-
geben werden.
Das Prinzip maschineller Erdbauprozesse, wie das Graben mit Baggern oder Umladen
mit Radladern, erlaubt solche Vereinfachungen jedoch nicht [Kat-09b]. Die Geschwindig-
keit einer Baggerschaufel kann nicht als konstant angenommen werden, wenn diese
durch einen Haufen von Steinen gezogen wird, da die Gutbewegung das Verhalten der
Maschine beeinflusst und ebenso die Maschinendynamik einen Einfluss auf den Material-
fluss hat.
4 Simulation des maschinellen Erdbauprozesses
In Anbetracht dessen, dass der maschinelle Erdbauprozess weder allein durch das Modell
der Maschine noch allein mit der Methode der Diskreten Elemente beschrieben werden
kann, bedarf es eines anderen Ansatzes. Schon in [Kat-09b] wurde erläutert, welche Vor-
teile die Kopplung der DEM mit der MKS hat. Dabei wurde vornehmlich die Mechanik der
Maschine in Betracht gezogen. Die vom Arbeitswerkzeug aufgebrachte Kraft auf den
Erdstoff zum Beispiel wird jedoch unter anderem vom hydraulischen Subsystem der Ma-
schine bestimmt, welches somit bei der Prozesssimulation nicht vernachlässigt werden
darf.
Der in diesem Paper vorgeschlagene Ansatz beinhaltet daher die Kopplung der DEM mit
der oben beschriebenen, um die Hydraulik, Antriebs-, Steuerungs- und Regelungstechnik
erweiterten Methode der Mehrkörpersysteme.
Im einfachsten Fall, bei dem von einer quasistatischen Belastung durch den Erdstoff auf
das Werkzeug ausgegangen werden kann, ist ein einmaliger Export der Lastdaten aus
der DEM und ein Import in die nach geschaltete Simulationsmethode ausreichend. Dies
findet z.B. bei strukturmechanischen FEM-Simulationen Anwendung. Bei dynamischen
Prozessen, in denen von starken Verformungen oder kinematischen Veränderungen des
Maschinenverhaltens ausgegangen werden kann, ist ein fortwährender iterativer Aus-
tausch der unterschiedlichen Ergebnisse beider Simulationsmethoden notwendig. Auf
diese Weise kann die Maschinendynamik bzw. das Bauteilverhalten unter den aus der

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DEM resultierenden realitätsnahen Lastannahmen untersucht werden.
Aus diesem Grund wurde in Zusammenarbeit der Universität Magdeburg und der Techni-
schen Universität Dresden eine Co-Simulation entwickelt, bei der das Simulationsframe-
work SARTURIS und die kommerzielle DEM Software PFC3d TM von Itasca gekoppelt
wurden, um den Grabvorgang eines Radladers bzw. Baggers zu simulieren. Bild 4 ver-
deutlicht das Prinzip schematisch. Möglich war dies auf Grund der einfachen Erweiterbar-
keit von SARTURIS und der Möglichkeit, weitere Funktionalitäten in PFC3d TM über benut-
zerdefinierte C++ Routinen zu ergänzen. Eine gekoppelte Simulation dieser Art kann so-
mit auch auf andere partikeltechnische Anwendungen übertragen werden, bei denen
ebenfalls das dynamische Maschinenverhalten berücksichtigt werden muss, z.B. bei Bre-
chern oder Siebmaschinen.
Umgesetzt wurde dafür eine programmbasierte Kopplung auf Integratorebene [Dro-04].
Das bedeutet, dass beide Simulationswerkzeuge jeweils ihren eigenen Integrationsalgo-
rithmus anwenden und zu bestimmten Zeiten Daten miteinander austauschen. Die Kom-
munikation zwischen beiden Programmen wird über das Netzwerk unter Nutzung des
standardisierten Netzwerkprotokolls XMLRPC [Xml-10] realisiert. Auf diese Weise kann
die Rechenlast verteilt werden.
Modellierung
Maschinenmodell
basierend auf
erweiterter MKS
Erdstoffmodell
basierend auf
DEM
Simulation
DEM-
Software
(PFC3d TM )
Kopplung
Kommunikation
Anwendungen
Bild 4: Methode zur Kopplung von Maschinen- und Erdstoffsimulation
Das Prinzip für den Austausch der Daten zwischen SARTURIS und PFC3d TM ist in Bild 5
dargestellt und soll im Folgenden anhand eines Grabprozesses kurz erläutert werden.
Wenn beide Programme geladen werden, empfängt PFC3d TM zur Initialisierung die Start-
position des Grabwerkzeugs von SARTURIS. Sobald SARTURIS nach dem Simulations-
start die neue Position und Orientierung des Werkzeugs in Abhängigkeit der gesamten
Maschinendynamik ermittelt hat, werden sie an PFC3d TM gesendet. In PFC3d TM wird da-
raus die entsprechende Geschwindigkeit für Translation und Rotation des Werkzeugs
berechnet. Nach Integration über der Zeit ermittelt und glättet PFC3d TM die Kräfte und
Momente, die auf das Werkzeug durch die Interaktion mit den DEM-Partikeln wirken und
sendet sie zurück an SARTURIS. Infolgedessen führt SARTURIS seine Zeitintegrationen
aus, mit der Annahme, dass die neu ermittelten Kräfte und Momente auf die Maschine
konstant sind. Die Zeitintegrationen beider Programme sind so geregelt, dass SARTURIS

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mit der Simulation der Maschinendynamik der DEM-Simulation immer vorauseilt.
5 Verifikation
SARTURIS PFC 3D
Berechnung der
Werkzeugposition
und -orientierung
Zeitintegration
Resultierende
Kräfte als externe
Kraftelemente
berücksichtigen
Anfangsbedingungen
tSARTURIS,
Position, Orientierung
tPFC,
Kraft, Moment
Bild 5: Prinzip des Datenaustauschs
Anpassen der
Werkzeuggeschwindigkeit
Zeitintegration
Berechnung der
resultierenden
Kräfte
Die Co-Simulation wurde durch eine Reihe einfacher Beispiele verifiziert. Einer der Plau-
sibilitätstests wurde auf der Basis einer Vibrationsplatte mit einem Freiheitsgrad und ei-
nem einzelnen Partikel, wie in Bild 6 dargestellt, durchgeführt.
Zunächst wurde die Kommunikationsschrittweite genügend klein gewählt, sodass die Co-
Simulation das gleiche Ergebnis wie das analytische Modell lieferte, das als Referenz
erstellt wurde. Als nächstes wurde der Einfluss der Kommunikationsschrittweite auf das
Ergebnis untersucht. Bild 7 zeigt, dass die Differenz zur Referenzlösung mit kleiner wer-
dender Schrittweite ebenfalls abnimmt und somit konvergiert. Allerdings handelt es sich
lediglich um eine Konvergenz erster Ordnung. Daraus ist zu schließen, dass mehr Auf-
wand bei der Kommunikationsmethode zwischen beiden Programmen betrieben werden
sollte. Es wäre zu untersuchen, welchen Einfluss z. B. eine Interpolation, Extrapolation
oder implizite und semi-implizite Ansätze beim Datenaustausch haben [Bus-10].
Cumulative Error / m
10 -3
10 -4
10 -5
10 -6
10 -7
10 -2
10 -8
10 -3
Convergence
10 -4
Step Width / s
10 -5
10 -6

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Bild 6: Modell einer Rüttelplatte Bild 7: Kumulativer Fehler der Rüttelplatte (z-Position)
6 Anwendungsbeispiel: Radlader
Nachdem die erforderlichen Grundeinstellungen ermittelt wurden, konnten anspruchsvol-
lere Testszenarien betrachtet werden. Ein Radlader wurde nach der vorgestellten Metho-
dik modelliert und sollte im vorgesehenen Test in einen Granit-Steinhaufen eindringen.
Für die ersten Versuche wurde generell ein sehr einfaches DEM-Modell mit lediglich ein
paar hundert kugelförmigen Partikeln und großem Radius verwendet, um die Rechenzeit
kurz zu halten. Anschließend wurde ein bereits in [Kat-09b] entwickeltes Steinmodell mit
kubisch gruppierten Partikeln für ein realistischeres Gutverhalten implementiert.
Der Radlader sollte in den Steinhaufen eindringen, die Schaufel füllen und anheben sowie
anschließend wieder zurück stoßen. Dieses Testszenario wurde mit der vorgestellten Co-
Simulation ausgeführt. Dabei beinhaltet das Modell des Radladers Mechanik, Hydraulik
sowie Antriebstechnik und wurde mit SARTURIS unter zu Hilfenahme vordefinierter Ein-
gaben simuliert. Der Steinhaufen wurde wiederum mit PFC3d TM simuliert. Die Co-
Simulation produzierte auch in dieser umfangreicheren Anwendung plausible Ergebnisse
für das Eindringverhalten des Radladers in den Steinhaufen und die Schaufelfüllung (sie-
he Bild 8). Für ein ungünstigeres Fahrverhalten (Anheben der Schaufel während sehr
hohen Eindringgeschwindigkeiten) konnte sogar ein Abheben der Hinterräder des Radla-
ders beobachtet werden (siehe Bild 9). Als Ergebnis der Simulationen können unter ande-
ren die Maschinenzustände sowie die Interaktionskräfte, die auf das Anbauwerkzeug wir-
ken, ausgegeben werden.
Bild 8: Gekoppelte DEM-MKS-Simulation des Erdbauprozesses eines Radladers in einem
Granit-Steinhaufen

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Bild 9: Abheben der Hinterräder des Radladers bei Überladener Schaufel (Visualisierung
aus SARTURIS)
7 Zusammenfassung und Ausblick
Das vorliegende Paper stellt einen multiphysikalischen Ansatz zur Simulation maschinell
gebundener Erdbauprozesse vor. Ziel der Arbeiten ist eine realistische Berechnung der
Prozesslasten sowie der daraus resultierenden Maschinenzustände zu ermöglichen, um
den virtuellen Entwicklungsprozess zukünftig effektiver und sicherer zu gestalten.
Zu diesem Zweck wurde eine Methode zur ganzheitlichen Maschinensimulation basierend
auf der Modellierungssprache Modelica sowie die Potenziale der Diskreten Elemente Me-
thode vorgestellt. Des Weiteren wurde auf die Grenzen beider Simulationsmethoden ein-
gegangen, wenn sie ungekoppelt für die Simulation realistischer Arbeitsprozesse von
Bau- und Gewinnungsmaschinen eingesetzt werden.
Eine Kopplung beider Simulationsmethoden wurde exemplarisch zwischen den Software-
werkzeugen SARTURIS und PFC3d TM umgesetzt und anhand einfacher Testbeispiele
verifiziert. Damit ist es möglich, ein realitätsnahes Erdstoff- bzw. Baustoffverhalten basie-
rend auf der DEM und ein realitätsnahes Maschinenverhalten basierend auf der MKS un-
ter Berücksichtigung ihrer bidirektionalen Wechselwirkungen zu simulieren.
Nach der Implementierung und Verifikation der Kopplung konnten zunächst plausible qua-
litative Ergebnisse für die Simulation realer Arbeitsprozesse von Baumaschinen erzielt
werden. Die zukünftigen Arbeiten werden sich auf die Validierung der Simulationsergeb-
nisse konzentrieren. Dies beinhaltet die folgenden Teilaufgaben:
Definition geeigneter Arbeitsprozessszenarien
Durchführung von Messungen an einem Versuchsbagger
Parametrisierung und Kalibrierung der DEM-Modelle für Grobgestein
Vergleich der Simulations- und Messergebnisse.
Des Weiteren, kann die entwickelte Co-Simulation basierend auf SARTURIS sehr einfach
auf andere DEM-Software übertragen werden.

G. Kunze, A. Katterfeld, T. Grüning Simulation maschineller Erdbauprozesse
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