A4 Entwicklung und Anwendung der BPM für die Untersuchung mechanischer Eigenschaften von gefrorenen Feststoffmaterialien

Zielsetzung

Für das Verhalten von einigen natürlichen und technischen Partikel-Fluid-Systemen (PFS) spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. So kann es zur Bildung von Feststoffbindungen (Eis) kommen, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt bei feuchten oder fluidgesättigten PFS sinkt. Resultierende mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Fließ- oder Bruchspannungen sind von großer Bedeutung für zahlreiche Anwendungen. Die Hauptziele des Projektes sind:

  • Entwicklung und Validierung eines mikromechanischen Modells der Feststoffbindung
  • Beschreibung der mechanischen Eigenschaften von gefrorenen Materialien mit der Diskrete Elemente Methode (DEM)

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Maksym Dosta, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Grabe

Methoden und Arbeitsprogramm

Zur Untersuchung der Fragestellung werden verschiedene experimentelle und numerische Methoden kombiniert angewandt.

Experimentelle Untersuchungen:

  • Messung der Materialparameter im trockenen Zustand
  • Analyse der Porenverteilung und Bestimmung des Sättigungsgrads
  • Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von gefrorenen Materialien (Steifigkeit und Festigkeit)

Numerische Untersuchungen:

  • Simulation des Bruchverhaltens unter Verwendung des Bonded-Particle Models (BPM)
  • Automatische Parameteranpassung für die Bestimmung der unbekannten Eigenschaften

Abbildung 1: DEM-Modellierung der mechanischen Eigenschaften.

Der untersuchte Temperaturbereich liegt zwischen -10°und 0°C. 

Es werden zwei Modelle der Feststoffbrücken entwickelt:

  • Brückenbereich – einzelne Brücken zwischen Partikelpaaren
  • Kapillarbereich – Brücken zwischen mehr als zwei Partikeln

Video

Literatur

[1]  Dosta, M., Dale, S., Antonyuk, S., Wassgren, C.R., Heinrich, S. und Litster, S. (2016): Numerical and experimental analysis of influence of granule microstructure on ist compression breakage. Powd. Techn., 299, S. 87-97.

[2]  Kozhar, S., Dosta, M., Antonyuk, S., Heinrich, S. und Schmidt, V. (2015): DEM simulations of amorphous irregular shaped micrometer-sized titania agglomerates at compression. Adv. Powd. Techn., 26, S. 1021-1030.