Innerhalb dieses Beitrags wird die numerische Simulationsmethode der Extended Discrete Element Methode (XDEM) vorgestellt, mit der die Wechselwirkung zwischen Reifen und steinigem Untergrund detailliert beschrieben werden kann. Dabei wird der Reifen als ein Kontinuum betrachtet, das mit der Finiten Element Methode (FEM) abgebildet wird. Der grobkörnige Untergrund, wie beispielsweise Sand oder Kies, wird als granuläres Medium betrachtet. Dieses kann sehr vorteilhalt mit der Diskreten Element Methode (DEM) behandelt wenden, die eine Betrachtung der individuellen Partikel zulässt. Basierend auf den Gesetzen von Newton werden Position und Orientierung aller Partikel berechnet, wobei Kräfte zwischen den Partikeln und dem Reifen berücksichtigt werden. Kräfte zwischen Partikeln und Reifen treten als Randbedingungen in der FEM Struktur des Reifens auf, und führen damit zur Deformation und somit zu einer Spannungsverteilung in der Reifenstruktur. Eine Integration in der Zeit bestimmt sowohl den Zustand des Untergrunds als auch die Reaktion des Reifens. Dies wird durch eine innovative Kopplung zwischen der Discrete Particle Method (DPM) zur Beschreibung des granulären Mediums und dem Finite Element Löser Diffpack erreicht und deshalb als Extended Discrete Element Methode bezeichnet wird. Beides sind objektorientierte Software-Werkzeuge, die über eine Schnittstelle die notwendigen Daten austauschen, so dass der Anwender sein Augenmerk auf die Problemlösung richten kann als sich mit Datenaustausch und Algorithmen zu befassen. Damit wurde ein vielseitiges und flexibles Werkzeug zur Lösung vielfältiger Probleme wie auch die Bewegung eines Reifens im Schnee geschaffen. Das neuartige Konzept ist sowohl auf Windows als auch auf UNIX basierenden Betriebssystemen verfügbar.
The objective of this contribution is to resolve different length scales in structure analysis by an interface coupling the Discrete Element Method (DEM) with the Finite Element Method (FEM) and therefore, is labelled Extended Discrete Element Methode (XDEM). This approach distinguishes itself from other methods in so far that no overlapping domains between Finite and Discrete Elements exist. Both domains are separated in physical space and numerical simulation domain. The proposed approach is relevant to almost all engineering applications that deal with granular matter such as storage in hoppers, transport on conveyor belts or displacement of granular material as in mixers or excavation of soil. An interaction between granular media and a structure relies on a transfer of forces between them. Granular media consists of an ensemble of particles of which a number of particles may be in contact with a surface e.g. walls as surfaces of solid structures. The contact is resolved similar to inter-particle contacts by a representative overlap. It defines the position of impact as well as the force acting on the particle at this position. The same force, however, into the opposite direction defines a mechanical load for the structure. In order to determine the effect of forces on the solid structure, it is discretised by finite elements. The impact of the force is transferred to the nodes of the respective surface element and appears as a load for the finite element system. Developing flexible software which is capable of performing simulation in different applications will enable the engineers to focus entirely on their specific problem and hence save them valuable time. This concept is supported by the software tools of the Discrete Particle Method (DPM) and Diffpack. Hence, the solid structure is analysed by the Finite Element Method under load due to the impact of individual particles that changes both in time and space. This makes it a highly versatile tool dealing with a large variety of different applications of granular matter arising in the automotive industry, such as road tire interaction. Various force models for the inter-particle and particle-wall contacts are also available. A minimal user interface easily allows extending the software further by adding user-defined impact models or material properties to an already available selection of materials and properties. Thus, the user is relieved of the underlying mathematics or software design, and therefore, is able to direct his focus entirely onto the application. The Discrete Particle Method is written in C++ programming language and works both in Linux and Windows environments.
Simulation des Traktionsverhaltens von Reifen auf granulärem Untergrund durch eine Kopplung zwischen der Finiten (FEM) und der Diskreten Element Methode (DEM)
Simulation of the Tractive Performance of Tire Treads on Granular Terrain by Means of Finite and Discrete Element Coupling
2013
13 Seiten, Bilder, Tabellen, 9 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
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