Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Multi-scale method for multi-component granular materials

Thornton C., Weinhart T., Ogarko V., Luding S.

Computer Methods in Materials Science

|

2013

|

Vol. 13, No. 2

197--212

EN

In this paper we review recent progress made to understand granular chutes flow using multi-scale modeling techniques. We introduce the discrete particle method (DPM) and explain how to construct continuum fields from discrete data in a way that is consistent with the macroscopic concept of mass and momentum conservation. We present a novel advanced contact detection method that is able of dealing with multiple distinct granular components with sizes ranging over orders of magnitude. We discuss how such advanced DPM simulations can be used to obtain closure relations for continuum frameworks (the mapping between the micro-scale and macro-scale variables and functions): the micro-macro transition. This enables the development of continuum models that contain information about the micro-structure of the granular materials without the need for a priori assumptions. The micro-macro transition will be illustrated with two granular chute/avalanche flow problems. The first is a shallow granular chute flow where the main unknown in the continuum models is the macro-friction coefficient at the base. We investigate how this depends on both the properties of the flow particles and the surface over which the flow is taking place. The second problem is that of gravity-driven segregation in poly-dispersed granular chute flows. In both these problems we consider small steady-state periodic box DPM simulations to obtain the closure relations. Finally, we discuss the issue of the validity of such closure-relations for complex dynamic problems, that are a long way from the simple period box situation from which they were obtained. For simple situations the pre-computed closure relations will hold. In more complicated situations new strategies are required were macro-continuum and discrete micromodels are coupled with dynamic, two-way feedback between them.

PL

W artykule przedstawiono postęp w zrozumieniu przepływu przesypywanych materiałów ziarnistych, jaki został ostatnio osiągnięty dzięki technikom modelowania wieloskalowego. Na początku omówiono metodę dyskretnych cząstek (ang. Discrete particle method - DPM) i wyjaśniono w jaki sposób należy konstruować ciągłe pole na podstawie dyskretnych danych tak, aby model był spójny z makroskopową zasadą zachowania masy i pędu. Zaprezentowano też nową metodę wykrywania kontaktu, która może być wykorzystana do wieloskładnikowych materiałów sypkich o rozmiarze cząstek zmieniających się w zakresie rzędów wielkości. Pokazano jak zaawansowane symulacje DPM mogą być zastosowane do uzyskiwania zależności dla modelu ciągłego (mapowanie zmiennych i funkcji między skalami mikro i makro). To umożliwiło rozwój modeli kontinuum zawierających informację o mikrostrukturze materiałów sypkich bez potrzeby robienia dodatkowych założeń. Przejście mikro-makro przedstawiono dla dwóch problemów płynięcia materiału sypkiego. Pierwszym jest płynięcie w płytkim zsypie, gdzie główną niewiadomą w modelu kontinuum jest makro współczynnik tarcia. W pracy badano jak ten współczynnik zależy od własności przepływających cząstek i powierzchni, względem której cząstki przepływają. Drugim analizowanym problemem jest segregacja przy zsypie polidyspersyjnych cząstek. W obydwu analizowanych problemach rozważono krótkie okresy stacjonarne w symulacji DPM, aby otrzymać realistyczne, wzajemnie dopełniające się zależności opisujące ciągłe własności materiału. W pracy omówiono również problem dokładności i poprawności opisanych wzajemnie dopełniających się zależności dla złożonych problemów dynamicznych. Problemy te są odległe od omówionych wcześniej rozwiązań dla krótkich okresów stacjonarnych, dla których te zależności były otrzymywane. Dla prostych przypadków zastosowanie zdefiniowanych wzajemnie dopełniających się zależności dawało poprawne wyniki. W bardziej skomplikowanych sytuacjach potrzebne są nowe, bardziej zaawansowane rozwiązania, w których makrokontinuum i mikro dyskretny model są połączone w sposób dynamiczny ze sprzężeniem zwrotnym.

2

From discrete particles to solids - about sintering and self - healing

Luding S.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

Vol. 11, No. 1

53-63

EN

In this review, particulate materials are studied using the Discrete Element Method (DEM), where the particles keep their identity throughout. Loose particles can sinter due to time-, stress- or temperature-dependent forces. Large deformations of sintered samples will then lead to damage. Self-healing of damaged samples can be activated through resintering, a process that increases further the contact adhesion between particles. Initially, the particle-samples are prepared by applying isotropic (hydrostatic) pressure. The spherical particles deform plastically at contact and stick to each other due to strong, non-linearly increased van der Waals forces. Such pres-sure-sintering results in a solid sample with (after releasing pressure) zero conflning stress - on which uni-axial tension or compression can be applied. Damage can occur through loss of contacts and/or loss of adhesion and more damage will occur with increasing deformation. In order to trigger "self-healing at different damage levels, the mechanical loading is first stopped, second, the system is resintered (so that the adhesion at existing contacts in the damaged sample becomes stronger than originally), and third, mechanical loading is continued with the healed sample, in order to study the material properties after the healing event.

PL

W artykule zamieszczono przegląd badań wybranych mate-riałów z zastosowaniem metody elementów dyskretnych (ang. Discrete Element Method - DEM), w której poszczególne cząstki zachowują swoją odrębność. Pojedyncze cząstki ulegają spiekaniu pod wpływem sił zależnych od czasu, naprężenia i temperatury. Duże odkształcenia spiekanych próbek mogą prowadzić do ich zniszczenia. Samo-zaleczanie zniszczonych próbek może być wywołane poprzez ponowne zgrzewanie, czyli proces który powiększa obszar adhezji pomiędzy cząstkami. Wstępne przygotowanie cząstek-próbek jest wykonywana przez zastosowanie izotrpowego (hydrostatycznego) ściskania. Sferyczne cząstki odkształcają się plastycznie w obszarze styku i przywierają do siebie w wyniku znacznego, nieliniowego wzrostu sił van der Waalsa. Spiekanie pod ciśnieniem prowadzi do powstania litych próbek, w których po zdjęciu obciążenia zanikają naprężenia na granicach. Takie próbki mogą być poddane próbom rozciągania lub ściskania. Zniszczenie może wystąpić poprzez utratę styku i/lub zanik adhezji, a rozwój pęknięcia postępuje wraz ze wzrostem odkształcenia. Aby wywołać samo-zaleczanie uszkodzeń na różnych etapach zniszczenia, obciążenie mechaniczne jest najpierw zdejmowane a następnie system jest poddawany ponownemu zgrzewaniu tak że adhezja w obszarach styku cząstek w zniszczonej próbce staje się mocniejsza niż w początkowym etapie. Następnie obciążanie mechaniczne jest kontynuowane w próbce aby umożliwić zbadanie ich własności po zaleczeniu.

3

Contacts Between Many Bodies

Muth B., Müller M. K., Eberhard P., Luding S.

Machine Dynamics Problems

|

2004

|

Vol. 28, No. 1

101-114

EN

In this paper the calculation and administration for motion and contacts of systems is investigated that are consisting of many colliding bodies. Both, two dimensional (2D) and three dimensional (3D) cases are investigated. In order to reduce the high calculation time that is usually spent on collision detection, sophisticated sorting algorithms for the neighborhood search are required. Here, these algorithms are compared with respect to their efficiency, for systems consisting of spherical 3D bodies of different sizes. The very time consuming collision detection then only needs to be done for neighboring bodies. The collision detection for polygonal bodies as well as the determination of the contact geometry is alluded. In order to simulate a very high number of contacting bodies, methods from Molecular Dynamics are used. By means of constitutive equations, the contact force can be determined, as addressed for polygonal bodies.

4

Clustering instabilities, arching and anomalous interaction probabilities as examples for cooperative phenomena in dry granular media

Luding S.

TASK Quarterly : scientific bulletin of Academic Computer Centre in Gdansk

|

1998

|

Vol. 2, No 3

417-442

EN

In a freely cooling granular material fluctuations in density and temperature cause position dependent energy loss. Due to strong local dissipation, pressure and energy drop rapidly and material moves from "hot" to "cold" regions, leading to even stronger dissipation and thus causing the density instability. The assumption of "molecular chaos" is valid only in the homogeneous cooling regime. As soon as the density instability occurs, the impact parameter is no longer uniformly distributed. The pair-correlation and the structure functions show that the molecular chaos assumption-together with reasonable excluded volume modeling-is important for short distances and irrelevant on large length scales. In this study, the probability distribution of the collision frequency is examined for pipe flow and for freely cooling granular materials as well. Uncorrelated events lead to a Poisson distribution for the collision frequencies. In contrast, the fingerprint of the cooperative phenomena discussed is a power-law decay of the probability for many collisions per unit time.