Entwicklung und Charakterisierung der Struktur gescherter ...
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<strong>Entwicklung</strong> <strong>und</strong> <strong>Charakterisierung</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>Struktur</strong> <strong>gescherter</strong> kohäsiver<br />
Schüttgüter<br />
S. Strege, A. Weuster,<br />
Prof. Dr. A. Kwade,<br />
Prof. Dr. D. Wolf<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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Motivation<br />
Scherung führt zu makroskopischen Heterogenitäten<br />
Schervorgänge beruhen<br />
auf Fragmentation <strong>und</strong><br />
Agglomeration im<br />
Partikelhaufwerk<br />
Fließverhalten des Bulks<br />
wird durch Kontaktverhalten<br />
auf Partikelebene bestimmt<br />
Haftkraft<br />
Adhäsion<br />
Zementierung<br />
Kontaktdauer<br />
t C<br />
2/8<br />
Einfluss <strong>der</strong> Kontakteigenschaften <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />
Beanspruchungsvorgeschichte auf die Entstehung<br />
<strong>der</strong> Haufwerksstruktur unter Scherung<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486
<strong>Charakterisierung</strong><br />
Ringscherversuche<br />
• Fließverhalten<br />
• Zeitverfestigung<br />
• Verfestigungsrate<br />
• Max. Haftkraft<br />
Quelle:<br />
www.dietmar-schulze.de<br />
F C<br />
F C<br />
max<br />
F<br />
c<br />
t C<br />
⎛<br />
⎛ − t ⎞⎞<br />
max<br />
( t ) = F ⋅ ⎜<br />
−<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎟ c<br />
1 exp<br />
⎝ tc<br />
⎠⎠<br />
⎝<br />
t<br />
Nanoindentation<br />
• Verformungsverhalten<br />
Rasterkraftmikroskopie<br />
• Haftkraft<br />
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Miniaturisierte Scherversuche<br />
Hochauflösen<strong>der</strong><br />
Computertomograph<br />
Miniaturisiertes<br />
Schergerät<br />
Probenraum:<br />
Durchmesser 3 -10 mm<br />
Höhe<br />
Volumen<br />
1 - 30 mm<br />
< 3 mL<br />
Betrachtung von<br />
• Füllvorgang<br />
• Verdichtung<br />
• Wandreibung<br />
• Stationäres Fließen<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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Betrachtung im CT<br />
Identifikation<br />
• Scherzonen & Brüche<br />
• Verdichtete Bereiche<br />
• Anisotropie<br />
• Porosität<br />
Bulkebene<br />
Partikelebene<br />
2000 µm<br />
200 µm<br />
Eignung <strong>der</strong> Modellstoffe abhängig von<br />
• Absorption von Röntgenstrahlung<br />
• Partikelgröße<br />
• Partikelform<br />
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Numerische Simulationen<br />
Molekulardynamik<br />
• Kontaktmodell für Adhäsion <strong>und</strong> Zementierung<br />
• Gleit-, Roll- <strong>und</strong> Torsionsreibung<br />
• Diverse Schergeometrien <strong>und</strong> Randbedingungen<br />
• Fraktale Anfangskonfigurationen durch geometrische Algorithmen<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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Kontaktmodelle<br />
Lineares Fe<strong>der</strong>-Dämpfer-Modell<br />
Adhäsion<br />
F C ≠ f (t Kollision )<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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Kontaktmodelle<br />
Lineares Fe<strong>der</strong>-Dämpfer-Modell<br />
Adhäsion<br />
Zementierung<br />
F C = f (t Kollision )<br />
F C ≠ f (t Kollision )<br />
F<br />
c<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ − t<br />
⎞⎞<br />
( )<br />
max<br />
t = F ⋅<br />
⎜<br />
−<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎟ c<br />
1 exp<br />
⎝ tc<br />
⎠⎠<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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Zusammenfassung<br />
• <strong>Charakterisierung</strong> des Kontaktverhaltens<br />
• Kalibrierung <strong>der</strong> numerischen Modelle<br />
anhand experimenteller Ergebnisse<br />
F C<br />
F C<br />
max<br />
F<br />
c<br />
max<br />
( t ) = F ⋅ ⎜<br />
−<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎟ c<br />
1 exp<br />
⎝ tc<br />
⎠⎠<br />
t C<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎛ − t ⎞⎞<br />
t<br />
• Beanspruchung kleinster Schüttgutproben<br />
in einem miniaturisierten Schergerät<br />
• Numerische Simulation des Verdichtungs<strong>und</strong><br />
Scherverhaltens<br />
• Computertomographie als zentrales<br />
Bindeglied zwischen Experiment <strong>und</strong><br />
Simulation<br />
02. Dezember 2010 Auftaktveranstaltung SPP 1486<br />
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