Ein Open Data Pilot für die Validierung Diskreter Element Modelle

Granulare Materialien bestehen aus Ansammlungen diskreter Partikel. In der Natur kommen sie häufig vor, z.B. als Flusskiesel, Sand oder Getreidekörner, aber auch in technischen Anwendungen, wie etwa Tabletten in der pharmazeutischen Industrie. Die Simulation granularer Materialien wird zunehmend wichtiger. Hierbei ist die partikelbasierte Diskrete Element Methode (DEM) weit verbreitet, um z.B. das mechanische Verhalten solcher Materialien vorherzusagen. Die Validierung von DEM Modellen ist eine wichtige und anspruchsvolle Aufgabe, die in dem Projekt Ein Open Data Pilot für die Validierung von Diskreten Element Modellen bearbeitet wird. Für die betrachteten granularen Materialien wird eine Vielzahl an Daten benötigt, wie etwa Datenmaterial über die reale Kornform, z.B. 3D Scan Daten, Messungen an einzelnen Partikeln sowie des Gesamtmaterialverhaltens. Diese Daten gehen dann in die Simulation ein. So ist im nächsten Schritt die Partikelform in der Simulation zu modellieren und Materialparameter müssen so kalibriert werden, dass das simulierte Materialverhalten mit dem gemessenen übereinstimmt. Neu in dem Projekt ist, dass Informationen über die reale Kornform in die Partikelform für die Simulation integriert werden sollen. Die Partikelform soll hierbei möglichst einfach sein, damit die resultierenden Simulationen schnell und robust sind. Außerdem wird die Materialmodellierung, insbesondere die Kontaktreibung zwischen den Partikeln, im Fokus stehen, die erwartungsgemäß eine Schlüsselrolle im Simulationsprozess einnimmt. Wissenschaftliche Veröffentlichungen zur DEM Modell Validierung enthalten die Informationen zu den oben genannten Themen zumeist nicht im vollen Umfang. Deshalb müssen Forscher für jedes betrachtete Material den gesamten Prozess der Datenerhebung für die Validierung neu durchlaufen. In diesem Projekt werden alle Daten für die Validierung, entwickelte Algorithmen und Ergebnisse, in einem sogenannten Open Research Data Pilot frei verfügbar gemacht, sowohl für Wissenschaftler als auch für andere Interessenten. Wissenschaftler, die durch begrenzte finanzielle Mittel keine Möglichkeit haben, selbst Messungen durchzuführen, können die Daten oder das validierte DEM Modell direkt für ihre Arbeit nutzen. Durch die ausschließliche Nutzung von frei verfügbarer Open Source Software im ganzen Projekt wird dies noch einfacher. Deshalb wird erwartet, dass die Weitergabe sowohl von erhobenen Daten als auch von entwickelten Algorithmen und Ergebnissen, direkt die Forschung im Bereich der granularen Materialien fördert.

Granulare Materialien bestehen aus Ansammlungen diskreter Partikel. In der Natur kommen sie häufig vor, z.B. als Flusskiesel, Sand oder Getreidekörner, aber auch in technischen Anwendungen, wie etwa Tabletten in der pharmazeutischen Industrie. Die Simulation granularer Materialien wird zunehmend wichtiger. Hierbei ist die partikelbasierte Diskrete Element Methode (DEM) weit verbreitet, um z.B. das mechanische Verhalten solcher Materialien vorherzusagen. Die Validierung von DEM Modellen ist eine wichtige und anspruchsvolle Aufgabe, die in dem Projekt "Ein Open Data Pilot für die Validierung von Diskreten Element Modellen" am Beispiel verschiedener Arten von Eisenbahnschotter untersucht wurde. Zuerst wurde die Form von einzelnen Schottersteinen analysiert: mit Hilfe von 3D-Scans wurden sogenannte Formdeskriptoren ausgewertet. Zweitens wurde eine DEM-Darstellung der Partikelform entwickelt: In einem neuen Ansatz wurde nicht die tatsächliche Form der Partikel (komplexe Struktur mit vielen Kanten und Ecken), sondern die Formdeskriptoren der Partikel approximiert. Dies ermöglichte die Konstruktion von einfachen Partikelformdarstellungen, die sehr effizient sind in Bezug auf den Simulationsaufwand. Drittens wurden Messungen der Eigenschaften der einzelnen Schottersteine hinsichtlich Reibung und Elastizität durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse flossen schließlich in eine neue Kalibrierungsmethode für die DEM Modelle ein, die sicherstellen soll, dass Simulationsergebnisse möglichst gut mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, um die Modelle auch für andere Anwendungen zuverlässig nutzbar zu machen. Alle in diesem Projekt erhobenen Daten wurden anderen Forschern (und anderen interessierten Parteien) im Rahmen eines so genannten Open Research Data Pilot vollständig zur Verfügung gestellt. Wissenschaftler, die aus finanziellen Gründen keine eigenen Experimente durchführen können, können die Daten oder das validierte DEM-Modell direkt für ihre Arbeit nutzen. Die ausschließliche Verwendung von frei verfügbarer Open-Source-Software im gesamten Projekt vereinfacht dies noch. Es wird erwartet, dass die Veröffentlichung der Daten sowie der entwickelten Methoden und Ergebnisse die Forschung auf dem Gebiet der granularen Materialien direkt fördern wird.