Johnson, Jerome B.

Kulchitsky, Anton V.

Wilkinson, Allen

NASA Technical Reports Server

Controlling	  Bulk	  Material	  
Packing	  Density	  in	  COUPi	  
DEM	  Model	  to	  Simulate	  Lunar	  
Regolith:	  POSTER	  
Anton V. Kulchitsky1, Jerome B. Johnson1, Allen Wilkinson2 
1	  University	  of	  Alaska-­‐Fairbanks,	  2NASA	  Glenn	  Research	  Center	  
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20150007669 2019-08-31T10:50:02+00:00Z
IntroducLon	  
  Packing	  density	  or	  void	  raLo	  is	  one	  of	  the	  most	  important	  
parameters	  that	  signiﬁcantly	  aﬀects	  regolith	  response.	  	  
  Preparing	  numerical	  material	  in	  DEM	  with	  parLcular	  
packing	  density	  is	  a	  non-­‐trivial	  task.	  
  QuesLon:	  How	  consistently	  can	  the	  required	  bulk	  
proper6es	  for	  the	  material	  be	  represented	  in	  DEM?	  
COUPi	  DEM	  
  COUPi	  is	  a	  discrete	  element	  method	  model	  developed	  as	  part	  
of	  a	  NASA	  Lunar	  Science	  InsLtute	  project	  
  It	  can	  model	  interacLons	  between	  parLcles	  of	  diﬀerent	  shapes	  
including	  polyhedral	  parLcles	  and	  machine	  parts	  
  The	  model	  has	  a	  computaLonal	  “core”	  and	  “scenario”	  scripts	  
allowing	  it	  to	  be	  used	  to	  build	  new	  tests	  and	  extend	  the	  model	  
  COUPi	  Creator	  is	  a	  program	  for	  creaLon	  of	  new	  parLcles	  
  COUPi	  Display	  is	  a	  visualizaLon	  tool	  
ParLcles	  in	  COUPi	  
  ParLcles	  in	  COUPi	  are	  represented	  as	  a	  union	  of	  convex	  dilated	  polyhedra	  
sub-­‐shapes.	  A	  parLcle	  body	  in	  the	  following	  example	  is	  represented	  as	  a	  
union	  of	  4	  atoms	  A1,	  A2,	  A3,	  and	  A4	  with	  diﬀerent	  dilaLon	  radii	  R1,	  R2,	  R3,	  
and	  R4.	  The	  cores	  of	  atoms	  are	  the	  actual	  frames	  of	  polyhedra	  sub-­‐shapes	  
(red).	  The	  core	  of	  Atom	  A3	  is	  an	  isolated	  vertex	  which	  makes	  the	  atom	  a	  
sphere	  of	  radius	  R3.	  A	  shell	  is	  a	  part	  of	  the	  atom	  that	  is	  formed	  by	  a	  dilaLon	  
radius.	  The	  outer	  boundary	  of	  all	  shells	  form	  an	  outer	  boundary	  of	  the	  
body.	  	  
InteracLon	  Forces	  
  InteracLon	  of	  two	  bodies.	  The	  forces	  are	  deﬁned	  by	  contact	  
properLes,	  an	  overlap	  between	  the	  bodies,	  and	  the	  history	  of	  
the	  contact	  	  
Materials	  and	  Contact	  
ProperLes	  
  Every	  element	  in	  the	  COUPi	  DEM	  model	  has	  deﬁned	  material	  
properLes	  
  Contact	  properLes	  are	  deﬁned	  by	  a	  contact	  properLes	  table	  
that	  sets	  properLes	  to	  each	  pair	  of	  materials	  
  Contact	  properLes	  can	  be	  updated	  “on	  the	  ﬂy”	  during	  
computaLons	  
  Basic	  idea:	  temporarily	  varying	  (ar6ﬁcially)	  the	  contact	  
proper6es	  is	  a	  possible	  way	  to	  adjust	  bulk	  proper6es	  
Procedure	  DescripLon	  
  Create	  a	  DEM	  parLcle	  bed	  by	  a	  gravitaLonal	  deposiLon.	  
  Create	  the	  parLcle	  bed	  by	  porLons	  creaLng	  layers	  of	  material	  
with	  necessary	  bulk	  properLes	  
  Each	  layer	  is	  set	  in	  3	  stages:	  
  Stage	  1:	  Contact	  fricLon	  is	  set	  to	  extremely	  high	  values.	  ParLcles	  
are	  generated	  in	  a	  mesh	  and	  fall	  under	  gravity	  forces	  unLl	  se]led	  
  Stage	  2:	  Contact	  fricLon	  is	  set	  to	  arLﬁcially	  low	  values	  depending	  
on	  the	  packing	  density	  required,	  parLcle	  shapes,	  and	  parLcle	  size	  
distribuLon	  unLl	  the	  layer	  is	  rese]led	  
  Stage	  3:	  Contact	  fricLon	  is	  restored	  to	  physical	  value.	  The	  layer	  is	  
se]led	  to	  the	  required	  bulk	  density.	  
ParLcle	  Shapes	  
  ParLcles	  shapes	  used	  in	  simulaLons	  
RealisLc	  ParLcles	  
  Simpliﬁed	  models	  of	  CT-­‐scans	  of	  lunar	  simulant	  (GRC-­‐3	  or	  
JSC-­‐1A)	  are	  recreated	  using	  COUPi	  Creator	  
Digital	  triangulated	  
mesh	  of	  CT-­‐scan	  of	  
GRC-­‐3	  parLcle	  
Simpliﬁed	  
polyhedral	  model	  of	  
the	  parLcle	  
Log-­‐normal	  PSD	  by	  spherical	  equivalent	  diameter	  
	  
0%	  
10%	  
20%	  
30%	  
40%	  
50%	  
60%	  
70%	  
80%	  
90%	  
100%	  
0	  2	  4	  6	  8	  10	  12	  
Pe
rc
en
t	  F
in
er
	  
Par6cle	  Diameter	  [mm]	  
Mean	  Radius	  =	  3.0	  mm	  
(d50	  =	  8.09	  mm)	  
ParLcle	  Size	  DistribuLon	  
Filling	  the	  Barrel	  and	  
CompacLon	  
DeposiLon	  
CompacLon	  
Packing	  Density	  Range	  
Comparison	  
Conclusions	  
  Bulk	  properLes	  such	  as	  the	  packing	  density	  of	  material	  in	  DEM	  
model	  can	  be	  controlled	  by	  a	  special	  procedure	  of	  material	  
preparaLon	  developed	  in	  this	  work	  
  The	  key	  property	  of	  the	  model	  is	  an	  ability	  to	  vary	  contact	  properLes	  
and	  temporarily	  set	  up	  arLﬁcial	  fricLon	  between	  parLcles	  to	  either	  
make	  the	  sliding	  diﬃcult	  or	  allow	  easy	  sliding	  of	  elements	  
  ParLcles	  made	  from	  spheres	  allow	  more	  limited	  packing	  density	  
range	  compare	  to	  polyhedral	  parLcles	  
  We	  are	  able	  to	  achieve	  the	  whole	  packing	  density	  range	  achieved	  in	  
experiments	  using	  our	  developed	  procedure	  and	  polyhedral	  
parLcles	  represenLng	  CT-­‐scans	  of	  actual	  lunar	  simulant	  


Controlling Bulk Material Packing Density in COUPi DEM Model to Simulate Lunar Regolith: POSTER

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server