In the current study we use a multiscale computational methodology to develop an internal state variable model that captures frictional effects during the compaction of particulate materials. Molecular dynamics simulations using EAM potentials were performed to model the contact behavior of spherical nickel nanoparticles. Simulation results for models consisting of various particle sizes and contact angles were compared to quantify the length scale effects of friction. The influence of friction on the microstructure was shown from the nucleation of dislocations near the interface region during sliding. By using an internal state variable theory to couple the microstructural changes due to friction observed at the nanoscale to a macroscopic rate-independent plasticity model, a multiscale friction model that captures the deformation behavior due to dislocations and interparticle friction was developed. The internal state variable friction equation is a function of the volume-per-surface-area parameter and can adequately represent all length scales of importance from the nanoscale to the microscale. The kinematics was modified by including a frictional component in the multiplicative decomposition of the deformation gradient in order to account for the frictional surface effects due to sliding, as well as frictional hardening/softening within the particles. The friction formulation was extended to the macroscale continuum model by determining the rate of change of the friction angle of the powder aggregate based on the evolution of the friction internal state variable. The constitutive model was coupled with the Bammann-Chiesa-Johnson (BCJ) rate-dependent plasticity model to capture the deformation behavior of the particles.

Shape memory ceramics (SMCs) are burgeoning functional materials based on zirconia with a reversible, stress-inducible martensitic phase transformation. Compared to metallic shape memory alloys, SMCs have broader operating temperatures, higher critical stresses, and larger mechanical hysteresis loops. These advantages make SMCs attractive for high-output actuation and sensing in extreme environments or energy dissipation applications; however, the key phase transformation generates large stresses and strains that accumulate at grain boundaries and result in fracture of monolithic SMCs. This means that material forms with decreased mechanical constraint are necessary. Transformation without fracture has been previously demonstrated with SMC micropillars and individual microparticles, but these material forms lack useful applications. By utilizing easily scalable granular packings of discrete free particles, the transformation can be triggered in bulk without fracture in much the same way. The granular packing material form introduces significant complexity as the internal stress distributions responsible for the phase transformation are highly heterogeneous on the macro-, meso-, and micro-scales. Moreover, the unconstrained phase transformation behaves differently than the constrained transformation, which is more studied in zirconia. The interactions of these various factors are explored from a fundamental perspective in this work, notably including (1) a unique 'continuous mode' of both forward and reverse transformation in granular packings, (2) the dependence of transformation behavior on macro-, meso-, and microstructure, and (3) the evolution of the granular packings' structure and energy dissipation capacity over 10,000 loading cycles. Diverse experimental techniques are employed, ranging from mechanical testing and calorimetry to in situ neutron diffraction, to support theory based on the martensitic phase transformation in zirconia, the shape memory and superelastic effects, and granular material physics. / Doctor of Philosophy / Shape memory materials are capable of remembering their original shape even when they are deformed, and can return to that shape when they are heated. This unique property stems from a phenomenon called martensitic phase transformation which bridges the gap between microscopic structural changes and macroscopic shape changes as a response to specific environmental changes. Most of the common shape memory materials are metallic, like nitinol (NiTi), which has uses in orthodontic wires and cardiological stents, but there are also ceramic materials that can display the shape memory effect. These shape memory ceramics are based on zirconia (ZrO2), and are distinct from metallic shape memory materials because of their brittle behavior and high temperature stability owing to their chemical structure. The work presented in this thesis concerns the behavior of shape memory ceramics in granular form (i.e., loose powders) over a range of external conditions. Diverse experimental techniques are employed to investigate differences between granular and non-granular shape memory ceramics. This work shows how the unique structure of a granular material, which is dominated by highly uneven force distributions and microscopic effects, interacts with the martensitic phase transformation in shape memory ceramics to produce a 'continuous' mode of transformation that differs from non-granular shape memory materials. This continuous mode is itself dependent on the granular material's macro-, meso-, and micro-structure, and on the shape memory material's composition and history. In the future, shape memory ceramics might leverage the insights gained from this work for applications including energy dissipation or on-demand shape changes (i.e., actuation).

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[pt] O propósito deste trabalho é propor um modelo teórico axiomático, que descreva o comportamento termomecânico de materiais granulares, fundamentado em uma descrição física simples, do que entende-se por material granular. No capítulo I, faz-se uma revisão bibliográfica, objetivando uma visão geral do estado da arte e delinear a importância do estudo de materiais granulares. No capítulo II, utiliza-se um método axiomático estabelecendo-se as equações de balanço que descrevem o comportamento termodinâmico de materiais granulares. No capítulo III, utilizando-se um outro método axiomático, analisa-se algumas condições de contorno para materiais granulares. No capítulo IV, estuda-se restrições internas em materiais granulares, exemplificando-se algumas. Finalmente no capítulo V, aplica-se o embasamento teórico dos capítulos anteriores, na solução do problema de escoamento de um material granular entre placas paralelas. / [en] The aim of this work is to establish an axiomatic theoretical model, for description of the thermomechanical behavior of granular materials, based on a simple physical description of what mean granular materials. On the first chapter, it s make an overview of the acctual state of the arte, giving the real importance of the study of granular materials. On the second chapter, by using an axiomatic method, the balances equations for thermomechanical behavior of granular materials, was established. On the the III, by using another axiomatic method, some boundary condictions for granular materials, was analysed. On the chapter IV, by using a coceptual model for internal constraints, some internal constraints for granular materials, was exemplified. At least, on chapter V, the theoretical backgoung established in the previous chapter, is applied to solve the problem of granular flow between two parallel plates.

Im Straßenbau sind Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) die konstruktive Grundlage des frostsicheren Oberbaus unabhängig von der Bauweise oder der Belastungsklasse. Das mechanische Verformungsverhalten von ToB ist sowohl durch elastische als auch durch plastische Verzerrungen geprägt, wobei die Größe der jeweiligen Dehnungen/Stauchungen u. a. von der Art und Größe der Beanspruchung abhängt. Erschwerend kommt der Einfluss unterschiedlichster, derartige Gemische beeinflussender Randbedingungen hinzu. Verwiesen sei z. B. auf die Materialdichte, den Wassergehalt, Korngrößenverteilungen oder die Kornform. Die thermische Beanspruchung ungebundener Gesteinskorngemische (ofentrockener Zustand) innerhalb des Gebrauchstemperaturbereiches ist für das elastische Materialverhalten als unbedeutende Einflussgröße einzustufen. Dies gilt nicht mehr wenn Wasser im Material vorhanden ist und Temperaturänderungen vom positiven in den negativen °C-Temperaturbereich (oder entgegengesetzt) vorliegen. Die klimatischen Randbedingungen in Deutschland bedingen jedoch sowohl positive als auch negative °C-Temperaturen in den ToB, welche sehr häufig wechseln können. Deshalb ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des elastischen Verformungsverhaltens von Gesteinskorngemischen unter triaxialen Bedingungen und zyklischer Beanspruchung sowie zusätzlicher thermischer Beeinflussung des Materials. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Untersuchung des mechanischen Verformungsverhaltens während des Aggregatzustandswechsels des im Gesteinskorngemisch existenten Wassers von der fluiden in die kristalline Zu-standsform im Zuge der Materialabkühlung bzw. von der kristallinen in die fluide Zustandsform im Zuge der Materialerwärmung. Für die Analyse des spannungsabhängigen Materialverhaltens bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Wassergehalten sowohl mit als auch ohne zusätzliche thermische Beeinflussung des Materials, stellt die Erarbeitung einer geeigneten Prüfprozedur einen weite-ren essentiell erforderlichen Bearbeitungsschwerpunkt im Rahmen des Untersuchungsprogramms dar. Neben der bekannten Temperaturunabhängigkeit von ToB im positiven °C-Temperaturbereich (Gebrauchstemperaturbereich) kann im Ergebnis der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass Gleiches gilt wenn das im Gesteinskorngemisch existente Wasser quasi-vollständig kristallisiert ist und dieser Zustand unverändert erhalten bleibt (bzw. eine weitere Abkühlung vorliegt), d. h. die Massenanteile von Wasser in fluider und kristalliner Form als konstant angesehen werden können. Temperaturzustände, welche zwischen den beiden zuvor genannten Sachverhalten eingeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein Abkühlungs- oder Erwärmungsprozess vorliegt), beeinflussen das mechanische Verformungsverhalten des Materials infolge des Aggregatzustandswechsels von Was-ser im Gesteinskorngemisch erheblich. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen kann u. a. herausgearbeitet werden das nicht nur ohne sondern auch bei thermischer Beeinflussung der Wassergehalt dominanten Charakter aufweist. Ein steigender Wassergehalt führt bei thermisch unbeeinflusstem Mate-rial zum bekannten Anstieg der elastischen Materialantwort. Bei thermischer Beeinflussung tritt ein gegenteiliges Phänomen auf. Die elastische Dehnung nimmt bei gleichen Beanspru-chungsrandbedingungen und steigendem Wassergehalt (dränierte Bedingungen) erheblich ab und kann mit dem ansteigenden kristallinen Wasseranteil im Gesteinskorngemisch begründet werden. Die Spannungsabhängigkeit des Gesteinskorngemisches, welche für den thermisch unbeeinflussten Zustand bekannt ist, kann hierbei resultierend aus dem vergleichsweise geringen Kristallisationsfortschritt von Wasser zum Betrachtungszeitpunkt auch für den thermisch beeinflussten Zustand zu Beginn der Abkühlphase bzw. am Ende der Erwärmungsphase festgestellt werden. Sowohl bei quasi-vollständigem Durchfrieren als auch bei fortschrei-tender Materialabkühlung und damit steigender kristalliner Wasseranteile im Gesteinskorngemisch kann im Rahmen der festgelegten Prüfbedingungen, der festgelegten Prüfprozedur und der definierten Beanspruchungszustände linear elastisches Materialverhalten unterstellt werden.

Nous étudions la rhéologie d'un ensemble de grains sphériques et frottants, par la simulation numérique, à l'échelle des grains, d'écoulements de cisaillement sous une contrainte normale P contrôlée, en présence d'un liquide interstitiel. En faible teneur, ce liquide se présente sous forme de ménisques intergranulaires qui transmettent des forces capillaires attractives ; s'il sature l'espace intergranulaire, on s'intéresse alors à l'écoulement de Stokes de la suspension dense ainsi constituée, où dominent les forces visqueuses. Les assemblages de grains secs constituent un système de référence aux propriétés mécaniques bien connues, en particulier l'approche de l'état critique de la mécanique des sols dans la limite quasi-statique. L'effet des ménisques capillaires qui joignent les grains en présence d'un liquide en faible saturation (régime pendulaire) est étudié pour les taux de cisaillement allant du régime quasi statique au régime inertiel. La rhéologie est caractérisée par le frottement interne apparent, la compacité de l'assemblage, les différences de contraintes normales et diverses variables internes, fonctions de deux paramètres de contrôle adimensionnés : le nombre inertiel I et la pression réduite P*, qui compare les forces de confinement à l'adhésion dans les contacts. Notre étude concerne les états homogènes, ce qui exclut les états de cisaillement localisés observés à faible P*, de l'ordre de 0,1. Le coefficient de frottement interne augmente de 0.35 (cas sec) à 0.9 environ pour P*=0.4, tandis que la compacité décroît de 0.59 à 0.52. L'important effet des forces capillaires sur la rhéologie, sensible pour des P* de plusieurs unités, est relié à la texture anisotrope des contacts et des ponts liquides. Lorsque P* décroît, nombre de contacts cohésifs sont maintenus pour des intervalles de déformation de plusieurs unités, survivant aux effets de rotation et de cisaillement de l'écoulement, et forment des amas percolants dans le système entier. Les résultats sont modérément sensibles à la saturation dans le régime pendulaire, mais fortement affectés par l'hystérèse de la conformation des ménisques. En présence de forces visqueuses et non plus capillaires, une version simplifiée de la dynamique stokésienne est adoptée dans laquelle les forces de lubrification entre proches voisins, supposées dominantes, sont les seules interactions hydrodynamiques. La rhéologie est fortement influencée par les contacts intergranulaires directes, qu'autorise la coupure à courte distance de la singulérité de lubrification du fait de la rugosité de surface des particules. Le même état critique que celui des grains secs est approché dans la limite quasi-statique. Nous discutons de lois rhéologiques exprimées en fonction du nombre visqueux qui remplace alors le nombre inertiel, et de la divergence de la viscosité effective à l'approche de la compacité critique en écoulement permanent, ou de la compacité maximale des assemblages aléatoires pour les configurations isotropes désordonnées / We numerically simulate the shear flow of dense assemblies of 3D frictional spherical grains under a fixed normal stress P in steady-state, either in the presence of a small amount of an interstitial liquid, which gives rise to capillary menisci and attractive forces, or in the fully saturated state, when the mechanical properties of suspensions in Stokes flow are controlled by hydrodynamic and contact forces. Dry grain assemblies are used as a reference system for which the rheological properties - in particular the approach to the critical state – are rather well known and can be measured with good accuracy. A non-saturating wetting fluid creates capillary attractive intergranular forces, the effects of which on the rheology are investigated in the pendular state, with shear rates ranging from quasistatic to inertial regimes. The system behavior is characterized by the dependence of internal friction coefficient, solid fraction, normal stress differences and internal state parameters on two dimensionless control parameters: the inertial number, I and the reduced pressure, P*, comparing confining forces to contact tensile strength. We focus on steady homogeneous flows, excluding localized flow patterns which we observe to occur for low P* (of order 0.1). The apparent internal friction coefficient increases to 0.9 in the quasistatic limit for P*=0.4, from its dry value 0.35, while solid fraction decreases from 0.59 to 0.52. We relate the significant effect of capillary forces on the macroscopic behavior of the system, up to P* values of several unities, to fabric anisotropy parameters of contact and distant interactions. As P* decreases, many cohesive contacts are observed to survive the tumbling motion associated to the shear flow, and their average age exceeds the reciprocal shear rate. Corresponding clusters of grains with enduring capillary bonds gather a large proportion of grains and percolate through the sample. The results are shown to be moderately sensitive to saturation within the pendular range, yet rather strongly affected by the hysteretic nature of liquid bridges. In the presence of viscous forces, assuming lubrication effects to dominate the hydrodynamic interactions, we adopt a simplified version of the (overdamped) Stokesian dynamics approach, in which hydrodynamic interactions only couple close neighbours. Rheological properties are strongly influenced by direct intergranular contacts and friction, which are permitted due to a very small distance lubrication cutoff modeling surface asperities. The same critical state as in the dry case is approached in the quasistatic limit. We discuss expressions of rheological laws involving the viscous number instead of the inertial number, and the divergence of effective viscosities in steady flow and in isotropic random suspensions as either the critical state or the random close packing solid fraction are approached

Im Straßenbau sind Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) die konstruktive Grundlage des frostsicheren Oberbaus unabhängig von der Bauweise oder der Belastungsklasse. Das mechanische Verformungsverhalten von ToB ist sowohl durch elastische als auch durch plastische Verzerrungen geprägt, wobei die Größe der jeweiligen Dehnungen/Stauchungen u. a. von der Art und Größe der Beanspruchung abhängt. Erschwerend kommt der Einfluss unterschiedlichster, derartige Gemische beeinflussender Randbedingungen hinzu. Verwiesen sei z. B. auf die Materialdichte, den Wassergehalt, Korngrößenverteilungen oder die Kornform. Die thermische Beanspruchung ungebundener Gesteinskorngemische (ofentrockener Zustand) innerhalb des Gebrauchstemperaturbereiches ist für das elastische Materialverhalten als unbedeutende Einflussgröße einzustufen. Dies gilt nicht mehr wenn Wasser im Material vorhanden ist und Temperaturänderungen vom positiven in den negativen °C-Temperaturbereich (oder entgegengesetzt) vorliegen. Die klimatischen Randbedingungen in Deutschland bedingen jedoch sowohl positive als auch negative °C-Temperaturen in den ToB, welche sehr häufig wechseln können. Deshalb ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des elastischen Verformungsverhaltens von Gesteinskorngemischen unter triaxialen Bedingungen und zyklischer Beanspruchung sowie zusätzlicher thermischer Beeinflussung des Materials. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Untersuchung des mechanischen Verformungsverhaltens während des Aggregatzustandswechsels des im Gesteinskorngemisch existenten Wassers von der fluiden in die kristalline Zu-standsform im Zuge der Materialabkühlung bzw. von der kristallinen in die fluide Zustandsform im Zuge der Materialerwärmung. Für die Analyse des spannungsabhängigen Materialverhaltens bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Wassergehalten sowohl mit als auch ohne zusätzliche thermische Beeinflussung des Materials, stellt die Erarbeitung einer geeigneten Prüfprozedur einen weite-ren essentiell erforderlichen Bearbeitungsschwerpunkt im Rahmen des Untersuchungsprogramms dar. Neben der bekannten Temperaturunabhängigkeit von ToB im positiven °C-Temperaturbereich (Gebrauchstemperaturbereich) kann im Ergebnis der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass Gleiches gilt wenn das im Gesteinskorngemisch existente Wasser quasi-vollständig kristallisiert ist und dieser Zustand unverändert erhalten bleibt (bzw. eine weitere Abkühlung vorliegt), d. h. die Massenanteile von Wasser in fluider und kristalliner Form als konstant angesehen werden können. Temperaturzustände, welche zwischen den beiden zuvor genannten Sachverhalten eingeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein Abkühlungs- oder Erwärmungsprozess vorliegt), beeinflussen das mechanische Verformungsverhalten des Materials infolge des Aggregatzustandswechsels von Was-ser im Gesteinskorngemisch erheblich. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen kann u. a. herausgearbeitet werden das nicht nur ohne sondern auch bei thermischer Beeinflussung der Wassergehalt dominanten Charakter aufweist. Ein steigender Wassergehalt führt bei thermisch unbeeinflusstem Mate-rial zum bekannten Anstieg der elastischen Materialantwort. Bei thermischer Beeinflussung tritt ein gegenteiliges Phänomen auf. Die elastische Dehnung nimmt bei gleichen Beanspru-chungsrandbedingungen und steigendem Wassergehalt (dränierte Bedingungen) erheblich ab und kann mit dem ansteigenden kristallinen Wasseranteil im Gesteinskorngemisch begründet werden. Die Spannungsabhängigkeit des Gesteinskorngemisches, welche für den thermisch unbeeinflussten Zustand bekannt ist, kann hierbei resultierend aus dem vergleichsweise geringen Kristallisationsfortschritt von Wasser zum Betrachtungszeitpunkt auch für den thermisch beeinflussten Zustand zu Beginn der Abkühlphase bzw. am Ende der Erwärmungsphase festgestellt werden. Sowohl bei quasi-vollständigem Durchfrieren als auch bei fortschrei-tender Materialabkühlung und damit steigender kristalliner Wasseranteile im Gesteinskorngemisch kann im Rahmen der festgelegten Prüfbedingungen, der festgelegten Prüfprozedur und der definierten Beanspruchungszustände linear elastisches Materialverhalten unterstellt werden.

Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2004. / Granular flow occurs in a broad spectrum of industrial applications that range from separation and mixing in the pharmaceutical industry, to grinding and crushing, blasting, stockpile construction, flow in and from hoppers, silos, bins, and conveyer belts, agriculture, mining and earthmoving. Two totally different approaches of modelling granular flow are the Discrete Element Method (DEM) and continuum methods such as Finite Element Methods (FEM). Continuum methods can be divided into nonpolar or classic continuum methods and polar continuum methods. Large displacements are usually present during granular flow which, without remeshing, cannot be solved with standard finite element methods due to severe mesh distortion. The Particle-in-Cell (PIC) method, which is a so-called meshless method, eliminates this problem since all the state variables are traced by material points moving through a fixed mesh. The main goal of this research was to model the flow of noncohesive granular material in front of flat bulldozer blades and into excavator buckets using a continuum method. A PIC code was developed to model these processes under plane strain conditions. A contact model was used to model Coulomb friction between the material and the bucket/blade. Analytical solutions, published numerical and experimental results were used to validate the contact model and to demonstrate the code’s ability to model large displacements and deformations. The ability of both DEM and PIC to predict the forces acting on the blade and bucket and the material flow patterns were demonstrated. Shear bands that develop during the flow of material were investigated. As part of the PIC analyses, a comparison between classic continuum and polar continuum (Cosserat) results were made. This includes mesh size and orientation dependency, flow patterns and the forces acting on the blade and the bucket. It is concluded that the interaction of buckets and blades with granular materials can successfully be modelled with PIC. In the cases conducted here, the nonpolar continuum was more accurate than the polar continuum, but the polar continuum results were less dependent on the mesh size. The next step would be to apply this technology to solve industrial problems.

Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2009. / The main research objective of this dissertation was to determine the performance parameters of particle dampers (PDs) under centrifugal loads. A test bench was developed consisting of a rotating cantilever beam with a PD at the tip. Equal mass containers with di erent depths, filled with a range of uniform sized steel ball bearings, were used as PDs. For all the tests, the total PD mass was identical. During operation the tip of the beam was displaced, and after release, the beam could vibrate freely. The decay in the vibratory motion of the tip of the beam was measured over a range of centrifugal loads. The experiments were duplicated numerically with a discrete element method (DEM) model, calibrated against the experimental data. This model could then be used for a more in-depth investigation of phenomena occurring when PDs are under centrifugal loads. From the data analysis, it can be concluded that there are two zones of damping, one with a high and one with a low damping factor. These damping zones depend on the ratio between the peak vibration acceleration and the centrifugal loading. Each zone has a limit in terms of the centrifugal loading beyond which the PD cannot function if the vibration amplitude is fixed. In the high damping zone, it was found that the excitation state of the particles was high enough for the system vibration frequency to change. In the low damping zone, there is only limited motion between the particles. The main parameters that influence the performance of the PDs are the friction between the particles themselves and with the container, the PD length/diameter aspect ratio, and the particle size. An important finding is that a PD with less layers (increase in particle size) will still function at a higher centrifugal load compared to one with a smaller number number of layers.

Grain shape is a key factor affecting the mechanical properties of granular materials. However, grain shape quantification techniques to distinguish one granular material from another have not reached a stage of development for inclusion in modeling the behavior of granular materials. Part of the problem is the equipment of choice for grain shape measurement is the scanning electron microscope. This is a relatively expensive and complex device. In this research, a practical approach using light microscopy to quantify grain shape and to identify the key shape parameters that can distinguish grains was investigated. A light microscope was found to produce grain images with sufficient quality for the purpose of observing the grain shape profile. Several grain shape parameters were determined for eight different sands - four sands chosen for this study and four sands from an outside source. Six of these - Circularity, Roundness, Sphericity, Aspect Ratio, Compactness and ModRatio - are shown to be the key shape parameters that differentiate these sand grains.Relationships between the six key grain shape parameters and dilatancy were developed to enable a better understanding of the mechanics of granular materials and for potential use in practice. Data to build the relationships were obtained using a light microscope, digital image processing software (ImageJ), and direct shear tests on four uniform sands composed of grains with varying, somewhat-homogeneous, shape profiles - ranging from very rounded grains in one granular conglomerate to very angular shaped grains in another.A Weighted Single Sand Shape Factor (WSSSF) was derived from all of the six key shape parameters was developed using Weighted Factor Analysis. A good correlation was found to exist between dilatancy and WSSSF. The correlation also incorporates normal effective stress, relative density and the critical state friction angle. Verification was conducted through the introduction of a subangular to subrounded sand that was not used in building the correlation. The correlation proved to provide a good estimate of the dilatancy of sands based on the physical properties of grains and the applied loading.