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Thesis

Einfluss der Reibung auf strukturelle und mechanische Eigenschaften von Kugel- und Ellipsoidpackungen

MPS-Authors
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Weis,  Simon J. A.
Group Statistical mechanics of granular media, Department of Dynamics of Complex Fluids, Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, Max Planck Society;

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Citation

Weis, S. J. A. (2015). Einfluss der Reibung auf strukturelle und mechanische Eigenschaften von Kugel- und Ellipsoidpackungen. Master Thesis, Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen-Nürnberg.


Cite as: https://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-002C-88E9-9
Abstract
Reibung ist ein wichtiger Parameter für die Stabilität und strukturellen Eigenschaften granularer Packungen. Es werden Packungen von Kugeln und total asphärische Ellipsoide (zwei verschiedene Sätze an Aspektverhältnissen) mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten auf ihre strukturellen
und mechanischen Eigenschaften untersucht.
Die Reibung der Teilchen wird durch Schleifen mit verschiedenen Schleifmitteln erhöht oder durch die Auftragung von Silikonspray erniedrigt. Der eibungskoeffizient wird für die so behandelten Teilchen auf einer schiefen Ebene gemessen, wobei eine signifikante Änderung des Reibungskoeffizienten
gemessen werden kann. Der Bereich an zugänglichen Reibungskoeffizienten liegt, bezogen auf den Wert der unveränderten Teilchen, zwischen -22% und +30%. Die Rauigkeit der Oberfläche
wird untersucht, wobei mit den hier durchgeführten Tomogrammen der Teilchenoberfläche keine
Korrelation der Rauigkeit zu den veränderten Reibungsmessungen gefunden werden kann.
Verschiedene Packungen der so behandelten Teilchen werden in einem zylindrischen Container bei unterschiedlichen Packungsdichten im Bereich von 60% bis 70% präpariert und mit Röntgentomographie
vermessen. Aus den so erhaltenen Tomogrammen werden die Größen, die Positionen und die Orientierungen der Teilchen bestimmt. Für diese Daten wird das Set-Voronoi-Diagramm als Verallgemeinerung des Punkt-Voronoi-Diagramms für anisotrope Teilchen berechnet. Mittels Minkowski-Tensoren der Voronoi-Zellen wird die Struktur und Anisotropie der Packung untersucht.
Die Reibung der Teilchen beeinflusst die Kontaktzahl, wobei Packungen mit niedrigerer Reibung im Mittel mehr Kontakte für eine stabile Packung benötigen. Dies kann sowohl in der globalen als auch in der lokalen Kontaktzahl von Kugeln beobachtet werden. Zusätzlich wird gezeigt, dass
die Packungen der total asphärischen Ellipsoiden hyperstatisch sind. Im Kontrast dazu zeigt die Änderung der Reibung keinen signifikanten Einfluss auf die Anisotropiemaße der Packungen. Diese
spiegeln insbesondere nicht die Änderung der Kontaktzahlen wieder. Generell kann gezeigt werden, dass sich die total asphärischen Ellipsoide bezüglich der Kontakte und Anisotropiemaße in Abhängigkeit des Aspektverhältnisses wie ihre prolaten und oblaten Gegenparts verhalten: Ein höheres Aspektverhältnis bedingt mehr Kontakte und niedrigere Anisotrotropiemaße. Die Ergebnisse der
Kugelpackungen dieser Arbeit werden mit verschiedenen DEM- und LS-Simulationen verglichen.
Zur Messung der mechanischen Eigenschaften von granularen Packungen wird im Rahmen dieser
Arbeit ein Scherzellenaufbau verwendet. Die Anbindung an den PC und die Software zur Ansteuerung
wird im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Es werden erste Messungen mit dem Aufbau
durchgeführt, wobei ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Programmierung und Kalibrierung
liegt.