Influence de la polydispersité sur la texture des milieux granulaires

La texture des matériaux granulaires est fortement influencée par le degré de polydispersité des tailles de particules. Dans cet article on présente un modèle de distribution granulométrique associé à un protocole de dépôt géométrique. Ce modèle est suffisamment efficace sur le plan numérique pour permettre une étude systématique des propriétés d'arrangement du milieu (compacité, connectivité, anisotropie) en fonction de la forme et de l'étalement de la courbe granulométrique. Un résultat remarquable de cette étude est la variation non linéaire de la compacité avec l'étalement. On observe notamment un palier où la compacité n'évolue pas avec l'étalement. Une transition a lieu vers les compacités plus élevées lorsque l'étalement permet l'insertion des plus petites particules dans les pores formés par les plus grosses. Cette transition se retrouve au niveau de l'arrangement granulaire qui est relativement régulier sur le pallier et désordonné ensuite

Evaluation de la dégradation du ballast ferroviaire à partir des simulations par éléments discrets des conditions de voie et de l'essai Micro-Deval

En raison de la circulation des trains et des opérations de maintenance (bourrage), les grains de ballast ferroviaire s'usent. Cela entraine une perte graduelle de performance qui nécessite finalement le renouvellement de l'ensemble du ballast. Afin de prédire l'évolution de cette dégradation, une étude multi-échelle est proposée. Des simulations par éléments discrets de l'essai d'attrition Micro-Deval permettent relier le chargement microscopique à la production de particules fines observée expérimentalement. La même approche numérique est utilisée avec des simulations du trafic des trains et de l'opération de bourrage pour déterminer les chargements microscopiques caractéristiques avec les conditions de voie

Texture et comportement des matériaux granulaires fortement polydisperses

Dans cet article, on présente une étude numérique de l’influence de la polydispersité, i.e. distribution étendue des tailles de particules, sur la texture et sur le comportement mécanique des matériaux granulaires. Les simulations en éléments discrets, basées sur la méthode de Dynamique des Contacts, mettent en évidence le rôle dominant des plus grosses particules. De façon inattendue, on montre alors que la résistance au cisaillement de tels matériaux est indépendante de la polydispersité

A benchmark for particle shape dependence

International audienceParticle shape is a major parameter for the space-filling and strength properties of granular materials. For a systematic investigation of shape effect, a numerical benchmark test was set up within a collaborative group using different numerical methods and particles of various shape characteristics such as elongation, angularity and nonconvexity. Extensive 2D shear simulations were performed in this framework and the shear strength and packing fraction were compared for different shapes.We show that the results may be analyzed in terms of a low-order shape parameter h describing the degree of distortion from a perfectly circular shape. In particular, the shear strength is an increasing function of h with nearly the same trend for all shapes, the differences being of second order compared to h. We also observe a nontrivial behavior of packing fraction which, for all our simulated shapes, increases with h from the random close packing fraction for disks, reaches a peak considerably higher than that for disks, and subsequently declines as h is further increased. Finally, the analysis of contact forces for the same value of h leads to very similar statistics regardless of our specific particle shapes

Texture et comportement des matériaux granulaires à grande polydispersité

This work is devoted to the numerical modeling of highly polydisperse granular materials in view of investigating the texture and mechanical behavior in quasi-static shearing. The polydispersity is modeled in terms of size span and curvature of the particle size distributions. A method is proposed to generate representative size distributions both in number and volume of size classes, and the accessible polydispersity parameters are determined for tractable number of particles. A geometrical method is used to construct large samples and to study the resulting texture in a systematic manner as a function of size distribution. These samples are then subjected to simple shear with periodic boundary conditions by means of the contact dynamics method. We show that: 1) The highest level of solid fraction corresponds to uniform distribution by particle volume fractions; 2) The shear strength in the steady state is independent of polydispersity; 3) A detailed analysis of the texture and force transmission indicates that this property results from the mutual compensation between the anisotropies of contact orientations and branch-vector lengths, and also from the fact that the strong force chains are mainly captured by the largest particles; 4) In the presence of adhesion between particles, the Coulomb cohesion increases with size span.Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à l'étude numérique de la texture et du comportement mécanique des matériaux granulaires à grande polydispersité. La polydispersité est considérée en termes d'étalement et de courbure de la distribution de tailles. Afin d'aboutir à des distributions de tailles représentatives, une méthode de génération ainsi qu'un modèle de courbe granulométrique sont présentés. La mise en place de grands échantillons denses par une méthode géométrique a permis de réaliser une étude systématique de l'influence de la polydispersité sur la texture. Le comportement mécanique est étudié par simulations numériques discrètes sur la base de la méthode de Dynamique des Contacts. Les échantillons sont successivement soumis à une relaxation uniaxiale et à un cisaillement simple avec des conditions aux limites périodiques afin d'atteindre respectivement l'état d'équilibre statique et l'état stationnaire après un cisaillement long. Nos résultats montrent que la distribution uniforme par fraction volumique conduit à la compacité la plus élevée. Dans l'état stationnaire, la résistance au cisaillement est indépendante de la polydispersité. Une analyse systématique de la texture permet de montrer que cette propriété résulte, d'une part, de la compensation mutuelle entre les anisotropies des directions de contact et des longueurs des vecteurs branches et, d'autre part, du fait que les forces fortes sont essentiellement transmise à travers les plus grosses particules. Enfin, en présence de forces d'adhésion, la cohésion de Coulomb augmente avec l'étalement granulométrique

Rhéologie d'un mélange hétérogène de grains de cohésion différente

Les matériaux granulaires cohésifs réels ne sont pas toujours homogènes spatialement : mélanges de grains cohésifs ou non, distribution de liquide hétérogène induisant une cohésion capillaire. Nous étudions numériquement la rhéologie d'un mélange de grains de propriétés cohésives différentes en fonction de leur fraction volumique par une méthode de dynamique des contacts dans une configuration de cisaillement simple. Nous mettons en évidence une loi de mélange faisant intervenir les propriétés des matériaux homogènes que nous tentons de relier à la structure locale du milieu

Periodic boundary conditions

International audienceIn this chapter, we present a method for the prescription of periodic boundary conditions in DEM simulations of granular materials. This method is similar in practice to that of Parrinello and Rahman, but since the particle interactions are dissipative in a granular system, the equations of motion for collective dynamic variables can not be based on a Hamiltonian. We consider in detail the particular kinematics of periodic systems, the equations of dynamics and time-stepping schemes for MD-DEM and CD-DEM

Conditions aux limites périodiques

National audience1.1.Introduction.................................. 11 1.2.Lacinématique ................................ 13 1.2.1.Périodicitéenposition......................... 13 1.2.2.Coordonnéesréduites ......................... 14 1.2.3.Périodicitéenvitesse.......................... 15 1.2.4.Tenseurmétrique............................ 16 1.2.5.Transformationsmodulaires...................... 17 1.3.Ladynamique................................. 18 1.3.1.Degrésdelibertécollectifs ...................... 18 1.3.2.Degrésdelibertédesparticules.................... 20 1.4.Schémasd'intégration ............................ 22 1.4.1.DynamiquedesContacts ....................... 22 1.4.2.DynamiqueMoléculaire........................ 24 1.4.3.Précautionsdemiseenœuvre..................... 27 1.5.Conclusion .................................. 28 1.6.Bibliographie ................................. 2

Particle assembling methods

International audienceThe rheology of granular materials is largely dominated by geometrical constraints arising from steric exclusions and involving particle shapes and size distributions. This prevailing role of geometry permits one to simplify sometimes the dynamics in favor of a better description of the geometry or/and higher numerical efficiency. For example, a dense granular packing may be efficiently constructed by replacing the equations of dynamics by simple displacement rules satisfying the geometrical constraints. Such purely geometrical procedures can be much simpler and numerically faster than more realistic procedures employed in dynamic methods and quasistatic methods. The issue of the assembling methods is to construct configurations of particles as close as possible to a state of mechanical equilibrium with built-in packing properties. This can be, for example, a target packing fraction for a given particle size distribution. In the same way, the average connectivity of the particles (coordination number) and the anisotropy of the contact network are basic geometrical properties that control the mechanical response of a packing and may be built into a packing by an appropriate method. The homogeneity of the particle assembly in terms of packing fraction and connectivity is another important property which depends on the assembling rules. In this chapter, several basic assembling methods by simple geometrical rules will be introduced. As there is a close link between the particle size distribution (PSD) and texture of a granular packing, \index{particle size distribution} we also present a method for the generation of PSD and we discuss in detail their statistical representativity and influence on the packing properties

Méthodes d'assemblage de particules

National audience1.1.Introduction...................... ........ 1.2. Méthodes d'assemblage par dépôt balistique . . . ........ 1.2.1. Dépôt aléatoire avec relaxation . . . . . . . . ........ 1.2.2.Dépôtavecunangledecapture . . . . . . . . ........ 1.3. Méthodes d'assemblage à potentiel de configuration . . . . . . . 1.3.1. Méthode de dépôt par minimisation d'un potentiel . . . . . . ... 11 . ... 12 . ... 12 . ... 14 . ... 16 . ... 17 1.3.2.MéthodeMonteCarlo ......................... 20 1.4.Gestiondelapolydispersitédetaille.................... 23 1.4.1.Polydispersitéetempilements..................... 23 1.4.2.Générationd'unensemblediscretdetailles . . . . . . . . . . . . . 26 1.5.Assemblagespolydiserpses ......................... 31 1.5.1.Modèleanalytiquedelapolydispersité . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.5.2.Critèresdereprésentativité ...................... 34 1.5.3. Distributions numériquement accessibles . . . . . . . . . . . . . . 37 1.5.4.Polydispersitéetcompacité...................... 39 1.6.Conclusion .................................. 42 1.7.Bibliographie ................................. 4