szemcsés anyag, kvázisztatikus deformáció, számítógépes szimuláció, nyírási zóna
Keywords in English
granular materials, quasi-static deformation, computer simulation, shear zone
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Statistical physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
HAS-BUTE Condensed Matter (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions)
Starting date
2008-04-01
Closing date
2011-04-30
Funding (in million HUF)
2.991
FTE (full time equivalent)
2.42
state
closed project
Summary in Hungarian
A szemcsés anyagok -- jelentős technológiai szerepük mellett -- gazdag jelenségkörrel rendelkeznek, melyek számos alapvető kérdéssel állnak kapcsolatban. Ez az oka annak, hogy napjainkban a szemcsés anyagok aktív kutatása folyik a statisztikus fizika keretében. A kutatás egyik legfontosabb célja, hogy összekösse a szemcséket leíró, ismertnek tekinthető mikromechanikai törvényeket a nagyskálájú kollektív viselkedéssel.
A kutatási projekt fő célja a szemcsés anyagok kvázisztatikus deformációjának vizsgálata és megértése, illetve azoknak az alapvető elveknek a feltárása, amelyek meghatározzák és összekapcsolják az anyagban ébredő feszültség és áramlásmezőt. A kvázisztatikus áramlások sajátja, hogy a lokális feszültségállapot és a lokális nyírási ráta között nincs közvetlen kapcsolat, ami nagyban megnehezíti az elméleti leírást. A kvázisztatikus deformációk mechanizmusát háromdimenziós számítógépes szimulációk és mezoszkopikus modellek segítségével vizsgálom. A várható eredményeket nemzetközi konferenciákon és referált tudományos folyóiratokban tervezem közzétenni.
Summary
Granular materials, besides their central technological importance, possess a surprisingly rich phenomenology which is related to many fundamental questions. Their behavior is only partially understood, which makes these materials a currently active research field of statistical physics. The natural aim of research is, in particular, to relate the well-known micro-mechanics on grain level to collective properties on large scales.
The main objective of the proposed research is to gain better understanding of the quasi-static deformation in granular media, to find the basic governing principles that determine and relate the flow and stress field inside the material. What makes the quasi-static flow particularly interesting and also difficult to describe is that there is no direct connection between the local stress and the local shear rate. The mechanism of quasi-static deformations will be studied with the help of three-dimensional computer simulations and mesoscopic models. The results of the research project will be presented in international conferences and will be published in peer-reviewed journals.
Final report
Results in Hungarian
Fontos előrelépés történt a kvázisztatikus reológia alapproblémájának megértésében, azaz a deformációs és feszültségmezőt összekapcsoló mechanizmus feltárásában. Számítógépes szimulációval előállítottuk a lehető legegyszerűbb esetet, ahol szemléltethető az alapprobléma és az eddigi modellek hiányossága. Sikerült az agitációs kép segítségével újszerű leírást adni és differenciálegyenlettel megragadni a nemtriviális deformációs mezőt. Ezt a kutatási projekt legfontosabb eredménye.
Sikerült kísérletileg igazolni a zónatörés jelenségét, azaz a nyírási zónák fénytöréssel analóg viselkedését. Modell, szimuláció és kísérleti szinten megvizsgáltuk a zónák tükröződésének jelenségét is. A zónák határfelületekről való sajátos visszatükröződése összhangban van a variációs modellel és különbözik a geometriai optikában megszokott viselkedéstől.
Pontperturbációk vizsgálatával teszteltük a geometriai agitáció következményeit. Az elmozdulásmező hatványfüggvény lecsengést mutat. Az exponens és deformáció megindításához szükséges kritikus erő meglepő módon kapcsolódik a statikus rendszer erőhálózatának statikai határozatlanságához. Ezek a látszólag különböző mennyiségek ugyanolyan nemmonoton viselkedést mutatnak a súrlódás függvényében.
Results in English
Important progress is made in the field of quasi-static rheology when studying the basic problem, namely what mechanism connects the deformation and the stress fields. In computer simulations we were able to achieve a simple scenario where the basic problem could be clearly demonstrated and we could show the failure of the existing theoretical descriptions. We were able to give a novel description with the help of the agitation base picture and grasp the nontrivial deformation field with a simple differential equation. We regard this as the most important result of the research project.
We proved the existence of the refraction phenomenon of shear zones experimentally which is analogous light refraction. We also investigated the possibility of reflection. With simulations and experiments we showed that there is a special way how shear zones can reflect at interfaces. This is different from that in geometric optics and it is in agreement with our variational model.
We tested the consequences of geometric agitations with the help of point perturbations. The resulting deformation field shows power law decay. Both, the exponent and the critical force that is needed to initiate deformation, can be connected to the static indeterminacy of force networks. This latter is characteristic to the static system in mechanical equilibrium. These seemingly very different quantities show the same nontrivial and nonmonotonic behavior as the function of the interparticle friction.
Börzsönyi T, Unger T, Szabó B;: Shear zone refraction and deflection in layered granular materials, Phys. Rev. E 80, 060302, 2009
Shaebani MR, Unger T, Kertész J: Extent of force indeterminacy in packings of frictional rigid disks, PHYSICAL REVIEW E: 79, 052302, 2009
Shaebani MR, Unger T, Kertész J: Generation of homogeneous granular packings: Contact dynamics simulations at constant pressure using fully periodic boundaries, IJMPC 20: 847-867, 2009
Shaebani MR, Unger T, Kertész J: Unjamming due to local perturbations in granular packings with and without gravity, PHYSICAL REVIEW E 78, 011308, 2008
