Mechanical properties of non-cohesive polygonal particle aggregates

Wir untersuchen numerisch die effektiven Materialeigenschaften von Aggregaten, die aus weichen, konvexen, polygonalen Partikeln bestehen, unter Verwendung der Diskrete-Elemente-Methode. Zunächst konstruieren wir zwei Arten von "Sandhaufen" mit zwei verschiedenen Verfahren. Dann messen wir die gemittelten Spannungen und Dehnungen, letztere durch Auferlegung einer 10%igen Verringerung der Schwerkraft, sowie den Gewebespannungstensor. Darüber hinaus vergleichen wir den vertikalen Normaldehnungstensor zwischen den einzelnen Sandhaufen qualitativ und zeigen, wie sich die Konstruktionsgeschichte der Haufen auf ihre Dehnungsverteilung und die Spannungsverteilung auswirkt. In einem nächsten Schritt werden die elastischen Konstanten bestimmt, wobei davon ausgegangen wird, dass das Hooke'sche Gesetz lokal für alle Sandhaufen gültig ist. Wir bestimmen die Beziehung zwischen den Invarianten des Spannungs- und Dehnungstensors und stellen fest, dass das Verhalten nichtlinear ist. Während das lineare elastische Verhalten in der Mitte des Haufens mit unseren Daten vereinbar ist, signalisiert die Nichtlinearität den Übergang zum plastischen Verhalten in der Nähe der Oberfläche. Ein ähnliches Verhalten wurde von Cantelaube et al. angenommen (Static multiplicity of stress states in granular heaps. Proc R Soc Lond A 456:2569-2588, 2000). Wir stellen fest, dass die makroskopischen Spannungs- und Gewebetensoren im Sandhaufen nicht kollinear sind und dass das elastische Verhalten in einer wesentlichen Weise anisotrop ist.