Modello dell'angolo di attrito interno delle particelle

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 2036 (2022) Citare questo articolo

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Attualmente cresce la pressione da parte dell’industria per semplificare i processi attraverso la creazione di modelli di simulazione e quindi verso una graduale digitalizzazione. L'essenza dei modelli di simulazione rappresentativi dei materiali sfusi è comprendere i principi e le leggi del comportamento reale delle particelle. Lo scopo di questo studio è quindi quello di trovare e quantificare le possibilità e i principi di come le particelle possono cambiare la loro posizione rispetto ad altre particelle. Le possibilità di spostamento delle particelle sono state espresse utilizzando le loro traiettorie specifiche e i rapporti di lavoro, o i valori dell'angolo di attrito interno. Ciò ha creato un nuovo modello completo dell'angolo di attrito interno delle particelle indipendentemente dalla dimensione delle particelle. Permette l'interpretazione dei valori determinati degli angoli di attrito interno delle particelle e la sua applicazione nel campo delle simulazioni di modelli di massa e di processo. Il modello può essere utilizzato per determinare la composizione di base delle particelle in volume e le modalità dominanti dei loro spostamenti reciproci.

Nel campo della meccanica dei materiali particellari, può sembrare che la questione generale dello spostamento delle particelle sia risolta presupponendo un movimento quasi lineare basato su particelle infinitesimali o almeno sufficientemente piccole rispetto allo spazio in cui si muovono. L'esempio potrebbe essere lo stress di taglio rispetto al rapporto tra il diametro della cella di taglio D e la dimensione delle particelle1.

Le prove di taglio per determinare i parametri di attrito e flusso sono metodi molto adatti per descrivere le proprietà dei materiali particolati2,3,4,5. I produttori di macchine da taglio utilizzano diversi design delle celle di taglio e, in base alle dimensioni, raccomandano anche rapporti diversi tra la dimensione massima delle particelle e la dimensione caratteristica di queste celle6,7.

Nella prova di taglio diretto di Jenike, il piano di taglio non è idealmente orizzontale1,6. La direzione di taglio effettiva devia angolarmente dal piano di taglio orizzontale immaginario. È più una zona di taglio che un piano. La dimensione delle particelle e il carico normale hanno un effetto significativo sulle proprietà della zona di taglio. Sono stati eseguiti numerosi esperimenti sulla prova di taglio di Jenike, in cui la forma della zona di taglio è stata dimostrata, ad esempio, mediante scansione a raggi X8.

Lo stato attuale della ricerca sulle particelle consente studi più dettagliati del comportamento delle particelle utilizzando simulazioni di elementi discreti (DEM). Molti lavori si sono concentrati sulla determinazione efficiente della forma ottimale delle particelle per i processi di simulazione9,10. Questi metodi di processo sono validati in base ai comportamenti volumetrici dei materiali. Esiste una correlazione diretta con l'effetto delle proprietà della forma delle particelle sul comportamento volumetrico e di resistenza insieme alla variazione dell'angolo di attrito interno11. Per valutare le complesse proprietà dei materiali basate sull'attrito interno, è possibile includere l'effetto della forma delle particelle sull'attrito interno.

Le prove di taglio sono state oggetto di molte ricerche incentrate su DEM12. La diversità della distribuzione della forza, delle direzioni e delle velocità delle particelle e l'effetto della dimensione delle particelle sulla zona di taglio, sulla sua forma e dimensione sono stati dimostrati anche utilizzando simulazioni DEM13,14. I risultati di esperimenti e simulazioni mostrano che la zona di taglio non è un piano orizzontale e la sua forma è dimostrabilmente correlata agli spostamenti delle particelle.

Un piano di taglio ideale verrebbe creato dal taglio preciso (sezione trasversale) delle particelle in una cella di taglio o dal taglio di particelle infinitesimali.

La dilatanza nei materiali granulari è un altro concetto importante15. Per dilatazione qui si intende una variazione di volume causata da una deformazione di taglio quasi statica. Reynolds affermò che l'angolo di attrito utilizzato da Rankin è una quantità macroscopica “legata alla disposizione delle particelle”16. È stato dimostrato che l'attrito tra le particelle è molto meno importante nel determinare la resistenza dei materiali granulari nelle macrodimensioni rispetto alla loro "disposizione"16,17,18.