[논문 리뷰] Simulation nnnumérique discrète et comportement mécanique des matériaux granulaires

Jean-Noël Roux, François Chevoir|ArXiv.org|2009. 01. 22.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 39인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 입자물질의 거시적 기계적 거동의 미세기계적 기원을 조사하기 위해 이산 수치 시뮬레이션을 계산 도구로 제시한다. 접촉 역학을 사용하여 입자 체계 상호작용을 모델링하고, 준정적 변형 및 고밀도 유동을 시뮬레이션함으로써, 미세구조, 마찰, 부피팽창성 등이 응력 국소화 및 유동 저항성과 같은 거시적 반응을 어떻게 지배하는지 밝혀낸다.

ABSTRACT

As a complementary tool to laboratory experiments, discrete numerical simulation, applied to granular materials, provides valuable information on the grain and contact scale microstructure, thereby enabling one to better understand the microscopic origin of macroscopic mechanical behaviours. We first introduce different simulation methods, which we regard as techniques for numerical experimentation, in connection with micromechanical models for intergranular contacts. We lay special emphasis on the important issue of sample representativity and stress the usefulness of dimensional analysis in the definition of relevant control parameters. We then apply this approach to two important rheological regimes of granular systems: solid-like, slowly strained granular materials, which might be ruled by elastoplastic constitutive relations; and liquid-like, dense granular flows, either confined or with a free surface, described by suitable friction and dilatancy laws

연구 동기 및 목표

• 토양 및 분말과 같은 입자물질의 거시적 기계적 거동의 미세기계적 기초를 이해하기 위해.
• 탄성, 마찰, 계면력과 같은 입자 체계 상호작용이 전체 물성 반응을 어떻게 결정하는지 평가하기 위해.
• 모의 시료의 대표성과 기하학적, 접촉 매개변수 설정의 영향을 평가하기 위해.
• 수치 실험을 통해 입자 어셈블리에서의 준정적 변형 및 고밀도 유동 거동을 조사하기 위해.
• 차원 분석을 통해 기계적 반응을 지배하는 주요 무차원 매개변수를 규명하기 위해.

제안 방법

• 2차원 또는 3차원에서 구형 또는 원형 입자를 사용하여 개별 입자 운동을 모델링하기 위한 이산요소법(DEM) 시뮬레이션.
• 선형 탄성 및 쿠론부 마찰을 기반으로 한 접촉 법칙의 구현을 통해 입자 간 힘을 시뮬레이션.
• 동적 관성 없이 천천히 변형되는 과정을 모의하기 위해 준정적 시간 적분의 사용.
• 삼축압축, 전단, 기울기 평면 유동을 모의하기 위해 경계 조건 적용.
• 마찰 계수 및 협조 수와 같은 주요 제어 매개변수를 규명하기 위해 차원 분석의 적용.
• 입자 협조 수, 힘 네트워크의 비등방성, 국소 밀도와 같은 미세구조 변수 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 체계 상호작용은 입자물질 고체에서 거시적 연성 및 응력 국소화를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 입자 형상과 협조 수는 준정적 변형 중 기계적 반응에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 마찰과 부피팽창 법칙은 압축 또는 기울기 평면에서의 고밀도 입자유동의 유변학을 어떻게 지배하는가?
• RQ4 이산 시뮬레이션은 입자유동 및 파손의 실험 관측을 어느 정도 재현하고 설명할 수 있는가?
• RQ5 어느 무차원 매개변수가 입자어셈블리의 거시적 거동에 가장 크게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이산 시뮬레이션은 힘 네트워크 재조직화와 관련된 미세구조 변화와 함께, 입자물질 고체에서 응력 연화 및 경화성과 같은 거시적 거동을 성공적으로 재현한다.
• 협조 수와 입자 형상은 연성 변형의 시작과 힘 체인의 발달에 중대한 영향을 미친다.
• 마찰과 부피팽창 법칙은 기울기 평면에서의 고밀도 입자유동의 유동 저항성과 속도 프로파일을 결정하는 데 핵심적이다.
• 시뮬레이션은 고체적 거동에서 유동적 거동으로의 전이가 마찰 저항과 부피팽창 변화 사이의 균형에 의해 지배됨을 보여준다.
• 차원 분석을 통해 마찰 계수와 협조 수가 거시적 유변학에 대한 주요 제어 매개변수임을 규명하였다.
• 수치 실험은 샘플 제작 방법과 경계 조건이 시뮬레이션 기계적 반응의 대표성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다.