Bei Diskreten-Elemente-Methode (DEM) Simulationen kann das Bruchverhalten von Partikeln mit verschiedenen Bruchmodellen simuliert werden. Bei großen, komplex geformten Partikeln, welche je nach Szenario das zum Versagen der Partikel führt unterschiedliche Bruchmuster aufweisen und oft nur lokal anstatt vollständig zerbrechen, führt die Anwendung einige dieser Modelle nicht zu realistischen Ergebnissen. Der Grund dafür ist, dass in diesen Szenarien die infrage kommenden Methoden, wie die „Particle Replacement Method“ (PRM) oder „Voronoi Fracture“, bei dem Erreichen eines bestimmten Bruchkriteriums, wie zum Beispiel das Überschreiten der Bruchenergie, den bruchfähigen Partikel, auch Elternpartikel genannt, durch mehrere Subpartikel ersetzen. Deshalb werden diese Methoden üblicherweise für die Simulation von Materialien verwendet, welche vollständig zerbrechen, anstatt lokal zu versagen.
Bei der Simulation von lokalem Versagen ist es daher ratsam, dass der bruchfähige Ausgangspartikel bereits im Vorhinein aus mittels „Bonds“ verbundenen Subpartikeln generiert wird. Die Abmessungen dieser Subpartikel bestimmen folglich die kleinstmögliche Größe der Bruchfragmente. Diese Struktur aus miteinander verbundenen Subpartikeln ermöglicht es, dass der Ausgangspartikel an den Stellen der höchsten lokalen Belastung bricht -- aufgrund des Versagens der „Bonds“ in diesen Bereichen -- wobei mehrere Subpartikelpartikel-Cluster das Ergebnis des Bruchs sind, welche folglich ebenso lokal brechen können.
In dieser Arbeit wurden Anhand des Beispiels von Filterkuchen verschiedene Methoden zur Erzeugung und Kalibrierung komplex geformter Partikelkonglomerate mittels „Bonded-Particle Modeling“ (BPM) verglichen, um ein realistischeres Bruchverhalten abbilden zu können. Jene Methode, welche sich für diesen Zweck als geeignet erweist und darüber hinaus eine effiziente und realistische Simulation des Bruchverhaltens komplex geformter Partikel ermöglicht, wird anschließend näher erläutert.
Um Prozesse im industriellen Maßstab mit mehreren unterschiedlich geformten Elternpartikel simulieren zu können, werden folgende wesentliche Aspekte, unter anderen, berücksichtigt. Es wird ein korrelierender Massen- und Volumenstrom während des Bruchvorgangs aufrechterhalten, was durch einen Ansatz mit großen Überlappungen in Kombination mit einem Entspannungsmodell nach dem Bruch der „Bonds“ ermöglicht wird. Das dynamische Verhalten der Elternteilchen wird insbesondere hinsichtlich der Dämpfung berücksichtigt. Die Möglichkeit der automatischen Erkennung von einzelnen Subpartikelclustern, die aus dem Aufbrechen von gebundener Partikelstrukturen resultieren, ist von großem Interesse und wird entsprechend behandelt. Optimierung im Hinblick auf die Recheneffizienz wird durch die Einführung der Bonded-Particle Replacement Method (BPRM) erreicht, die die Vorteile der BPM mit denen der PRM kombiniert.
Durch die Entwicklung virtueller anstelle von physischen Prototypen, und eine zusätzliche Reduzierung des Aufwandes im Zusammenhang mit diesen virtuellen Prototypen und deren erfolgreicher Simulation, werden die benötigten Ressourcen reduziert und ein Schritt in Richtung Nachhaltigkeit getan.