Symulacje pękania materiałów o ziarnistej strukturze mikroskopowej : pierwsze uwagi

• Autorzy: Dębski Wojciech

Identyfikatory

DOI

10.32045/PG-2022-030

Warianty tytułu

EN

Numerical simulation of breaking materials with a granular micro-structure : first results

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Proces pękania i fragmentacji ciał stałych jest zjawiskiem niezwykle powszechnym, a równocześnie niezwykle skomplikowanym. W zakresie zainteresowania geofizyki manifestuje się on najczęściej w postaci trzęsień ziemi i pęknięć lodowców. Dotychczasowe próby jakościowego zrozumienia tych naturalnych procesów nie dały w pełni zadowalających wyników. Ciągle nie rozumiemy wielu aspektów fizycznych tych procesów, a w konsekwencji nie można w stanie ich przewidywać z akceptowalną wiarygodnością. Losowość trzęsień ziemi i zjawisk lodowcowych znacząco ogranicza możliwości ich badań eksperymentalnych. Z tego powodu istotnego znaczenia nabiera podejście komplementarne oparte na symulacjach komputerowych. W niniejszej pracy ilustrowane jest takie podejście, analizujące pękanie materiału o ziarnistej strukturze mikroskopowej w procesie rozciągania. Wykonane symulacje pokazały jak struktura mikroskopowa determinuje losowość procesu pękania i wpływa na takie elementy procesu jak lokalizacja obszarów o zwiększonej gęstości energii kinetycznej, a więc powstawanie centrów nukleacji pęknięcia materiału.

EN

Fragmentation of solid materials is a very common and simultaneously very complex physical process. From geophysical point of view the most interesting examples of such processes are earthquakes and glacial processes like icequakes. In spite of a huge effort of analyzing them these processes are still poorly understood for many reasons. One of them is their stochasticity. For these reasons more important become numerical simulations which allow to cast some light on physical mechanism leading to nucleation, development and finally arresting earthquakes or glacial breaking processes. In this paper we illustrate advantages of such approach analyzing a tensional breaking process of macroscopically homogeneous material of granular microstructure. Our simulations have revealed how microstructure determines the fragmentation process including its stochasticity and influences creation of hotpots - regions of high concentration of kinetic energy leading finally to creation of nucleation centers.

Słowa kluczowe

PL

symulacje numeryczne; metoda elementów dyskretnych; pękanie ciał stałych; materiały ziarniste; zniszczenie przez rozciąganie

EN

numerical simulations; Discrete Element Method; solid material fragmentation; granular media; tensional fracturing

• Wydawca: Polskie Towarzystwa Geofizyczne ; Komitet Geofizyki PAN
• Czasopismo: Przegląd Geofizyczny
• Rocznik: 2022
• Tom: Z. 1-2
• Strony: 39--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dębski Wojciech

• Instytut Geofizyki Pan, Zakład Geofizyki Teoretycznej

• https://orcid.org/0000-0002-5339-0300

Bibliografia

• [1] Abe S., Boros V., Hancock W., Weatherley D., 2014, Esys-particle tutorial and user’s guide. Version 2.3.1., dostępne online https://launchpad.net/esys-particle.
• [2] Aki K., Richards P.G., 1985, Quantitative Seismology, Freeman and Co, San Francisco.
• [3] Anderson T.L., 1991, Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, CRC Press, Boca Raton.
• [4] Buehler M.J., 2008, Atomistic Modeling Of Materials Failure, Springer Verlag, New York.
• [5] Chakrabarti B., Benguigui L.G., 1997, Statistical Physics of Fracture and Breakdown in Disordered Systems, Oxford University Press, Oxford.
• [6] Christensen R.M., 2013, The Theory of Material Failure, Oxford University Press, Oxford.
• [7] Cundall P.A., 1971, A computer model for simulating progressive, large-scale movement in blocky rock systems, [w:] Proceedings of Symposium of International Society of Rock Mechanic.
• [8] Dębski W., 2010, Probabilistic Inverse Theory, Advances Geophysics, 52, 102 s., DOI: 10.1016/S0065-2687(10)52001-6.
• [9] Dębski W., Klejment P., 2021, Earthquake physics beyond the linear fracture mechanics: a discrete approach, Philosophical Transactions of the Royal Society A, 379 (2196), DOI: 10.1098/rsta.2020.0132.
• [10] Dębski W., Pradhan S., Hansen A., 2021, Criterion for imminent failure during loading - Discrete Element Method analysis, Frontiers in Physics, 9, DOI: 10.3389/fphy.2021.675309.
• [11] Dębski W., Young R.P., 2002, Tomographic imaging of thermally induced fractures in granite using Bayesian inversion, [w:] The Mechanism of Induced Seismicity, C.I. Trifu C.I. (red.), Pageoph Topical Volumes, Birkhäuser, Basel, 277-307, DOI: 10.1007/978-3-0348-8179-1_13.
• [12] Ergenzinger C., Seifried R., Eberhard P., 2011, A discrete element model to describe failure of strong rock in uniaxial compression, Granular Matter, 13, 341-364, DOI: 10.1007/s10035-010-0230-7.
• [13] Gibowicz S.J., Kijko A., 1994, An Introduction to Mining Seismology, Academic Press, San Diego.
• [14] Hansen A., Hemmer P.C., Pradhan S., 2015, The Fiber Bundle Model, Viley-VCH, Vennheim.
• [15] Hidalgo R.C., Kun F., Herrmann H.J., 2002, Fracture model with variable range of interaction, Physical Review E, 65, DOI: 10.1103/PhysRevE.65.046148.
• [16] Kun F., Varga I., Lennartz-Sassinek S., Main G., 2013, Approach to failure in porous granular materials under compression, Physical Review E, 88, DOI: 10.1103/PhysRevE.88.062207.
• [17] Landau L.D. Lifszyc E.M., 1993, Teoria sprężystości, PWN, Warszawa.
• [18] Potyondy D., Cundall P., 2004, A bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41 (8), 1329-1364, DOI: 10.1016/j.ijrmms.2004.09.011.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).