Az aprózódó makroszemcsés halmaz bemutatása

Célunk a DEM-vizsgálattal első körben a szimuláció megismerése és az esetleges kutatási irányok kitűzése volt.
A DEM-modell létrehozása során egy makroszemcsehalmazt generáltunk, mely a következő lépésekből állt:

• a mikroszemcséket, amelyek kitöltik a makrószemcsék átmérője által meghatározott tartományt, véletlenszerű eloszlással generáltuk;
• a mikroszemcsék véletlenszerű elosz­lá­­­sá­nál fontos szempont volt a mak­ro­szemcsék bizonyos inho­mo­gén mik­ro­szer­kezeteinek tulajdonságai is (azaz az egyes mak­ro­szemcsék, amelyek ugyanannyi da­rabszámú mik­ro­szemcséből álltak, azok sem teljesen egyeztek meg mikroszerkezetileg).

Az elvégzett numerikus vizsgálathoz a makroszemcsék geometriai tulajdonságait az 1. táblázatban foglaltuk össze.
Az aprózódásra kijelölt makroszemcsés halmaz modelljében kétféle típusú érintkezés határozható meg. Az első típusú érintkezés nem kötött, ezt a Hertz-Mindlin érintkezési modell írja le. Ez a releváns a makroszemcsés halmaz és a mikroszemcsés repedések mentén is. A második típusú érintkezés kapcsolati (érintkezési) modell alapú, amelyet ugyanazon makroszemcse belsejében lévő mikroszemcsék határoznak meg, a mikroszemcséket párhuzamos kötések (ún. „parallel bond”-ok) normál és nyírási tulajdonságai kötik össze. A mikroszemcsék átmérőjét úgy választottuk meg, hogy a kapott makroszemcsék elegendő mikroszemcsét tartalmazzanak a fragmentációs folyamat megfelelő szimulációjának lefolytatásához. Ahogy az az 1. táblázatban is látszik, egy-egy ilyen makroszemcse (ún. „clump”) 51–322 db mik­roszemcsét is tartalmaz, ami jelentősen megnövelte a futtatási időt.
A szimulációkban használt „clump”­ok mechanikai jellemzői megegyeztek a gömbszemcsék paramétereivel.
A feltételezett érintkezési tulajdonságokat a 2. táblázat foglalja össze.
A tartály (tégely) mérete: 19,0 (szélesség) × 19,0 (hosszúság) × 26,5 (magasság) [mm].

A szemcsehalmaz ödométeres vizsgálata

A mikroszemcsékből álló összes mak­ro­szem­csét véletlenszerűen helyeztük el egy pontban, majd hagytuk, hogy a gravitáció segítségével a befogadó tartályba essenek.
Amikor a minta elkészült (kialakult az első egyensúlyi állapot) és a felső lap is a helyére került, akkor elindult a „préselési folyamat”, amely apró lépésekből állt. A felső nyomólap 0,16 mm-es lépcsőkben mozgott lefelé, 8 mm/s állandó sebességgel (10–6 másodperc időtartammal). Ez minden esetben elegendő volt ahhoz, hogy a halmaz elérje azt az állapotot, amelyben a kezdeti makroszemcsék (mint befoglaló „gömbrészecskék”) szinte teljes egészében mikroszemcsékre essenek szét.
Itt fontos megemlíteni azt a tényt, hogy a szimuláció addig futott, amíg 100%-ig össze nem törtük az összes makroszemcsét mikroszemcsékre. Ez természetesen valós körülmények között nem lehetséges, mivel bármilyen terhelt anyag egy idő után összenyomhatatlanná válik, a szimuláció pedig minden részecskét képes volt újra és újra összenyomni. Így az eredményként szolgáló értékeink egy részét nem vettük figyelembe, mivel ezek nem adnának reális képet a terhelésről. Az említett „túlzott” (a 3280. ciklushoz tartozó) összenyomást az 5. ábrán mutatjuk be:

A szimulációkról készült képek a 6–8. ábrákon láthatók. A 6. ábrán balról jobbra haladva a 45., 1115., 1520. és 1960. ciklusokhoz tartozó állapotot mutatjuk a modellezett falakkal és a mikroszemcsés makroszemcsékkel. A 7–8. ábrákon az érintkezési (contact bond) és a mik­ro­szem­csék közötti (parallel bond) kapcsolatokban fellépő erők irányát, valamint a „con­tact bond”-okban ébredő erők nagyságát szemléltetjük a 6. ábrán is alkalmazott ciklusokra vonatkozóan. A 7. ábrán látható vonalak vastagsága összhangban van az erő nagyságával, a vonalak iránya megegyezik az erővektorok irányával.
A 8. ábrán a felső sorban balról jobbra haladva: 45., 1115., 1520., 1960., míg az alsó sorban haladva 2180., 2290., 2400. és 2510. ciklus utáni állapot látható.