입자의 내부마찰각 모델

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 2036(2022) 이 기사 인용

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현재 업계에서는 시뮬레이션 모델을 생성하여 프로세스를 간소화하고 점진적인 디지털화에 대한 압력이 높아지고 있습니다. 벌크 재료의 대표적인 시뮬레이션 모델의 본질은 입자의 실제 거동에 대한 원리와 법칙을 이해하는 것입니다. 따라서 본 연구의 목적은 입자가 다른 입자에 비해 자신의 위치를 ​​어떻게 변경할 수 있는지에 대한 가능성과 원리를 찾고 정량화하는 것입니다. 입자 변위 가능성은 특정 궤적과 작업 비율 또는 내부 마찰각 값을 사용하여 표현되었습니다. 이는 입자 크기와 관계없이 입자의 내부 마찰각에 대한 새롭고 포괄적인 모델을 만들었습니다. 이를 통해 결정된 입자의 내부 마찰 각도 값을 해석하고 질량 및 프로세스 모델 시뮬레이션 분야에 적용할 수 있습니다. 이 모델은 부피에 따른 입자의 기본 구성과 상호 변위의 주요 방식을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.

입자 재료 역학 분야에서 입자 변위에 대한 일반적인 문제는 입자가 이동하는 공간에 비해 무한하거나 적어도 충분히 작은 입자를 기반으로 한 준선형 운동의 가정에 의해 해결되는 것처럼 보일 수 있습니다. 예는 전단 응력 대 입자 크기1에 대한 전단 셀 직경 D의 비율일 수 있습니다.

마찰과 흐름의 매개변수를 결정하기 위한 전단 테스트는 미립자 물질의 특성을 설명하는 데 매우 적합한 방법입니다2,3,4,5. 전단 기계 제조업체는 다양한 전단 셀 설계를 사용하며 크기에 따라 최대 입자 크기와 이러한 셀의 특성 크기 비율을 다르게 권장합니다6,7.

Jenike의 직접 전단 테스트에서 전단 평면은 이상적으로 수평이 아닙니다. 실제 전단 방향은 가상의 수평 전단 평면에서 각도 방향으로 벗어납니다. 비행기라기보다는 전단지대에 가깝습니다. 입자 크기와 일반 하중은 전단 영역의 특성에 중요한 영향을 미칩니다. Jenike의 전단 테스트에 대해 수많은 실험이 수행되었으며, 예를 들어 X-ray 스캐닝8을 통해 전단 영역의 모양이 입증되었습니다.

입자 연구의 현재 상태에서는 이산 요소 시뮬레이션(DEM)을 사용하여 입자 거동을 보다 자세히 연구할 수 있습니다. 많은 연구가 시뮬레이션 프로세스를 위한 최적의 입자 모양을 효율적으로 결정하는 데 중점을 두었습니다9,10. 이러한 공정 방법은 재료의 체적 거동에 따라 검증됩니다. 내부 마찰각의 변화와 함께 입자 모양 특성이 체적 및 강도 거동에 미치는 영향과 직접적인 상관관계가 있습니다11. 내부 마찰을 기반으로 한 복잡한 재료 특성을 평가하기 위해 내부 마찰에 대한 입자 모양의 영향을 포함할 수 있습니다.

전단 테스트는 DEM12에 초점을 맞춘 많은 연구 주제였습니다. 힘 분포, 입자 방향 및 속도의 다양성, 입자 크기가 전단 영역에 미치는 영향, 모양 및 크기도 DEM 시뮬레이션을 사용하여 입증되었습니다. 실험과 시뮬레이션 결과에 따르면 전단 영역은 수평면이 아니며 그 모양은 입자 변위와 명백하게 관련되어 있습니다.

이상적인 전단면은 전단 셀 내 입자의 정확한 전단(단면) 또는 극소 입자의 전단에 의해 생성됩니다.

세분화된 재료의 팽창은 또 다른 중요한 개념입니다. 여기서 팽창이란 준정적 전단 변형으로 인해 발생하는 부피의 변화를 의미합니다. Reynolds는 Rankin이 사용한 마찰각이 "입자 배열과 관련된" 거시적 양이라고 말했습니다. 거시적 차원에서 입상 물질의 강도를 결정하는 데 있어 입자 간의 마찰은 "배열"보다 훨씬 덜 중요하다는 것이 입증되었습니다16,17,18.