Thesis or Dissertation Simulation results for polyhedral particles obtained with the Discrete Element Method (DEM)

CHENG, WEISHEN  ,  チェン, ウェイシェン

pp.1 - 47 , 2015-03-25 , The University of Electro-Communications
Description
離散要素法(DEM)、または個別要素法は粉体力学でよく用いられているマイクロメカニカルなシミュレーション方法である。従来の粉体力学に関する研究では、2次元では円盤、3次元では球が粒子形として用いられているが、実際の粉体の粒子は非球形の場合が多いため、円盤や球体により、現実的な粒子の本質(例えば、積み重ねた粒子の安息角度など)を完全に模倣したり、再現したりするのは困難である。本研究では、粉体の多体動力学の信頼できる三次元系の分析方法を発展するため、多面体を粒子形としてシミュレーションで用いられている。また、我々は粒子の形状を多様性することにより、更に現実な粉体の解析結果を求めていた。 一般的に、球体は多角を持つ多面体であると考えられる。そのために、本研究では、多面体の頂点数を増やすことによって、球体の凝集体の特性を得ることができるかどうかについて調査していた。我々は何種類かの多面体(14角、38角、50角と72角)と球体の3次元離散要素法シミュレーションを利用し、非細長い正多面体と球体の粒子充填密度を調べてきた。その結果、多角を持つ多面体の充填密度は意外とある限界に到達し、その限界は同様なヤング率を持つ球体の充填密度と一致しないことが見られた。ところが、我々は多面体のヤング率を低下させ(物質を柔らかくする)、同様なシステムの初期条件でシミュレーションを実行してみると、多角の多面体の充填密度は元のヤング率を持つ球体の充填密度に接近する傾向が分かった。従って、我々はより高い粒子の充填密度を得られるために、粒子の高い機動性が主なメカニズムである(円形の粒子の場合はその転がり)と推論する。その上、完全な球体の転がりに必要なエネルギーはほぼゼロのため、凝集体中の多面体の可動性(転がり)は多面体の頂点と面の高低差(表面粗さ)、かつ多面体が変形により、それぞれ隣の粒子をのりこえる可能性で決まると考えられている。それ故に、材料の強度を減らすことにより、多面体の機動性を向上させることができる。また、我々は壁が粒子への影響及び、充填高さと表面粗さの関係についても調査した。

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