Kurz- und Langzeitverhalten von Festkörperähnlichen Granularen Materialien

Granulare Materialien Konglomerate aus diskreten makroskopischen festen Partikeln kommen häufig in der Natur vor. Erdrutsche, Lawinen, Erosion oder Plattentektonik sind Prozesse, die durch das statische und dynamische Verhalten granularer Materialien bestimmt werden. Auch in der Technik spielen granulare Materialien eine wichtige Rolle, wie z.B. in der Pharmaindust- rie bei der Produktion von Tabletten, die aus verdichteten Granulaten und Additiven bestehen. Die Sandung des Rad-Schiene Kontakts zur Verbesserung des Antriebs- und Bremsverhaltens von Schie- nenfahrzeugen oder Schotter im Gleisoberbau sind weitere Beispiele aus der Eisenbahntechnik. Diese granularen Materialien verhalten sich festkörperähnlich aufgrund der geringen mittleren Energie der einzelnen Partikel sowie der geringen Relativbewegungen zwischen den Partikeln. Das beantragte Projekt zielt auf diese Art von granularen Materialien ab. Ziel ist es, verbesserte parti- kel-basierte Prognose Modelle (Discrete Element Method (DEM) Modelle) für das Kurz- und Lang- zeitverhalten von festkörperähnlichen granularen Materialien zu entwickeln. Bei Betrachtung des Kurzzeitverhaltens spielt die korrekte Modellierung der Reibung zwischen den Partikeln bzw. zwischen den Partikeln und ihrer Umgebung eine wichtige Rolle. Meist wird Coulomb- sche Reibung angenommen wobei ein konstanter Reibungskoeffizient für das gesamte System vorge- geben wird. Dieser Ansatz reicht häufig nicht aus um eine ausreichende Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment zu gewährleisten. Aus der Tribologie ist bekannt, dass die Reibung z.B. von der Belastung, den Oberflächenrauigkeiten sowie Flüssigkeiten im Kontakt beeinflusst wird. Die Be- schreibung über einen konstanten Reibungskoeffizienten ist daher nicht ausreichend. Ein Ziel des be- antragten Projektes ist es daher, solche tribologischen Effekte in den Reibkraftgesetzen von DEM Modellen zu berücksichtigen. Zusammen mit der geeigneten Modellierung des Plastizitäts- und Bruchverhaltens der Partikel aufgrund der Überschreitung der Partikel-Festigkeit ist eine wesentliche Erhöhung der Prognosequalität solcher Modelle hinsichtlich des Kurzzeitverhaltens zu erwarten. Beim Langzeitverhalten von granularen Materialien unter zyklischer Belastung spielt das Verschleiß- und Ermüdungsverhalten der Partikel eine wichtige Rolle. Diese Effekte können nachwievor nicht ausreichend genau über Modelle abgebildet werden. Die physikalische Modellierung des Ermüdungs- verhaltens auf Basis von Partikeln unter Berücksichtigung des Wechselspiels mit Verschleiß stellt daher ein weiteres Ziel des beantragten Projekts dar. Auf diese Weise ist eine Erhöhung der Prognose- qualität hinsichtlich des Langzeitverhaltens zu erwarten. Zur Parametrierung der erweiterten DEM Modelle wird darüber hinaus eine Methode basierend auf einfachen Prinzipversuchen entwickelt. Dabei werden die Art des granularen Materials sowie die Be- lastungsbedingungen berücksichtigt. Die Gültigkeit der Modelle und Methoden wird durch Anwen- dung auf Beispiele von granularen Materialien nachgewiesen, wofür diverse Prinzipversuche im Pro- jekt durchgeführt werden.

Granulare Materialien Konglomerate aus diskreten makroskopischen festen Partikeln kommen häufig in der Natur vor. Erdrutsche, Lawinen, Erosion oder Plattentektonik sind Prozesse, die durch das Verhalten granularer Materialien bestimmt werden. Auch in der Technik spielen granulare Materialien eine wichtige Rolle, wie z.B. bei der Sandung des Rad-Schiene Kontakts zur Verbesserung des Antriebs- und Bremsverhaltens von Schienenfahrzeugen oder Schotter im Gleisoberbau. Diese granularen Materialien verhalten sich meist festkörperähnlich (aber nicht immer). Das vorliegende Projekt zielt auf diese Art von granularen Materialien ab. Dabei wurde ein partikel-basierter Ansatz gewählt, bei dem jedes Partikel individuell betrachtet wird, ebenso wie seine Interaktionen mit anderen Partikeln und umgebenden Körpern. Dieser Ansatz verursacht zwar einen hohen Rechenaufwand aufgrund der meist sehr hohen Anzahl von betrachteten Partikeln, gibt aber auf der anderen Seite Einblick in physikalische Phänomene auf Partikel-Ebene, wie z.B. aus Lasten resultierende Partikelbewegungen oder Kraftbrücken. Aber auch physikalische Effekte in den Partikel-Partikel Kontakten können im Detail untersucht werden, was zu einem besseren Verständnis für granulare Materialien führt. Das wesentliche Ergebnis des Projektes ist die Einführung eines sogenannten balancierten Ansatzes auf dem Gebiet der partikel-basierten Modellierung. Die Basis dafür sind folgende drei Hauptschritte: Abbildung der Partikelgeometrie, Kontaktmodellierung und Modelparametrierung. Der eingeführte balancierte Ansatz unterstreicht die Wichtigkeit, dass jeder dieser Schritte mit vergleichbarer Tiefe betrachtet werden soll. Entsprechend dieser Definition spricht man dann von einem nicht balancierten Ansatz, wenn einer der Schritte im Vergleich zu den anderen wesentlich detaillierter betrachtet wird. Dazu finden sich in der Literatur viele Beispiele. Zum Beispiel gibt es sehr viele Arbeiten, bei denen versucht wird, die Partikelgeometrie so genau wie möglich abzubilden, auf der anderen Seite werden sehr einfache Partikel-Partikel Kontaktmodelle verwendet, die wesentlich auftretende physikalische Phänomene nicht berücksichtigen. In diesem Projekt wurde der balancierte Ansatz konsequent verfolgt. Während die Partikelgeometrie relativ einfach modelliert wurde (aber nicht zu einfach), wurden in den Partikel-Partikel Kontaktmodellen zusätzliche beobachtete physikalische Phänomene abgebildet, wie z.B. Partikelkantenbruch oder lastabhängige Reibung zwischen den Partikeln. Diese Effekte wurden in State oft he Art Modellen bislang nicht betrachtet. Des Weiteren wurden verschiedene Prinzip-Versuche zur Parametrierung dieser weiterentwickelten Modelle herangezogen mit dem Ziel, einen Modell- Parametersatz zu finden, der alle Experimente beschreiben kann. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Modelle erhöht werden speziell hinsichtlich der Anwendung auf andere (komplexere) Bedingungen.