Szemcsés anyagok sztatikus és dinamikai szerkezete
Title in English
Static and dynamical structure of granular materials
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Fazekas, Sándor Török, János Unger, Tamás
Starting date
2005-01-01
Closing date
2008-06-30
Funding (in million HUF)
7.750
FTE (full time equivalent)
4.29
state
closed project
Final report
Results in Hungarian
Számítógépes szimulációkkal vizsgáltuk a mágneses szemcsék lavináinak tulajdonságait. A rendszert a mágneses és a gravitációs kölcsönhatás erősségének f hányadosa jellemzi. A rézsűszög és a felületi durvaság lineárisan változik f-fel. Hasonlóan a kohézív rendszerekhez, a lavinadinamika szempontjából két tartomány figyelhető meg. Tanulmányoztuk a nyírási sávok kialakulását három dimenzióban, triaxiális elrendezésben. Kidolgoztuk a nyírási sávok numerikus azonosításának technikáját. Szimmetriasértő sávokat találtunk, amennyiben a külső kényszer ezeket nem akadályozta meg. A kísérletekkel egyezésben elmozdulási keményedést azonosítottunk. A sávon belül kritikus sűrűség áll be, amelynek végtelen súrlódáshoz tartozó határértéke csak a szemcsék alakjától függ. Általánosítottuk korábbi, nyírási sávokra vonatkozó elméletünket. Az új modell a kísérletekkel kiváló egyezésben írja le a módosított Couette–cellás kísérleteket. Megjósoltuk és szimulációval igazoltuk, hogy különböző súrlódású közegek határán a fénytöréshez hasonló nyírási sáv refrakció következik be. Vizsgáltuk, hogy torlódott állapotú rendszer perturbációjának hatását. Hatványfüggvény-szerű lecsengést találtunk az elmozdulási térben, ahol az exponens a súrlódás nem triviális függvénye, hasonlóan az elmozdulást kiváltó kritikus erő nagyságához és a behatolási mélységhez. Ezt a nem-monoton kapcsolatot összefüggésbe hoztuk a korábban, a sztatikus erőhálózatokban talált fluktuációk súrlódás-függésével.
Results in English
Using computer simulations we studied the properties of avalanches of magnetic grains. The system is characterized by the ratio f of the magnetic and gravitational interaction. The angle of repose and the surface roughness vary linearly with f. Similarly to cohesive systems, we could distinguish two regimes from the point of view of the avalanche dynamics. We investigated the formation of shear bands in three dimensional axisymmetric arrangement. We constructed the techniques of identifying the sear bands. We found symmetry breaking bands whenever the external constraints did not hinder them. In agreement with experiments we found strain hardening. Within the band a critical density developed, which, in the infinite friction limit, had a value depending only on the shape of the grains. We generalized our earlier theory of the shear bands. The new model describes the experiments in the modified Couette-cell excellently. We predicted and proved by simulations that on the boundary of two media with different frictions refraction of shear bands takes place, similarly to the refraction of light. We investigated the effects of perturbations of the jammed state. We found power law decay in the displacement field where the exponent is a non-trivial function of the friction, similarly to the critical force and the penetration depth. These non-monotonic dependences were related to the friction-dependence of fluctuations in the force network found earlier static packings.
S. Fazekas, J. Kertész, D. E. Wolf: Piling and avalanches of magnetized particles, Phys. Rev. E, 71, 061303 (2005), 2005
S. Fazekas, J. Török, J. Kertész: Computer simulation of three dimensional shearing of granular materials: Formation of shear bands, Powders & Grains 05, R. Garcia-Rojo, H.J. Herrmann and S. McNamara (eds.) Proc. of the conf.2005 in Stuttgart p. 223-226 (Balcema, Leiden, 2005), 2005
T. Unger, J. Török, J. Kertész, D. E. Wolf: Shear band formation as a variational problem, Powders & Grains 05, R. Garcia-Rojo, H.J. Herrmann and S. McNamara (eds.) Proc. of the conf. 2005 in Stuttgart p. 227-231 (Balcema, Leiden), 2005
S. Fazekas: Disitinct Element Simulations of Granular Materials, BME, 2007
M. R. Shaebani: Unjamming due to local perturbation, BME-Zanjan IABS, 2008
S. Fazekas, J. Török, J. Kertész, D. E. Wolf: Morphologies of three-dimensional shear bands in granular media, Phys. Rev. E, 74, 031303 (2006), 2006
J. Török, T. Unger, J. Kertész, D. E. Wolf: Shear zones in granular materials: Optimization in a self-organized random potential, Phys. Rev. E75, 011305 (2007), 2007
M. R. Shaebani, T. Unger and J. Kertész: Unjamming of granular packings due to local perturbations: Stability and decay of displacements, Phys. Rev. E76, 030301 (R) (2007), 2007
S. Fazekas, J. Török, J. Kertész: Critical packing in granular shear bands, Phys. Rev. E 75, 011302 (2007), 2007
T.Unger: Refraction of shear zones in granular materials, Phys. Rev. Lett. 98, 018301 (2007), 2007
M. R. Shaebani, T. Unger and J. Kertész: Unjamming due to local perturbations in granular packings with and without gravity, Phys. Rev. E, 78, 011308 (2008), 2008
M. R. Shaebani, T. Unger and J. Kertész: Generation of homogeneous granular packings: Contact dynamics method with coupling to an external pressure bath, Journal of Computational Physics, 2008
M. R. Shaebani, T. Unger and J. Kertész: Extent of force indeterminacy in packings of frictional rigid disks, Phys. Rev. E, 2008
