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Modeling the compaction of soft granular packings : effect of mixed soft/rigid grains and particle shape
No full textLa compaction d'assemblages de grains mous au-delà de leur point de blocage (i.e., le ``jamming point''), bien que très étudiée reste encore mal comprise. Par exemple, un très grand nombre d'équations reliant l'évolution de la pression de confinement "P" à la compacité "phi" ont été proposés mais la plupart des équations existantes s'appuient sur des stratégies empiriques impliquant souvent plusieurs paramètres d'ajustement dont le sens physique n'est pas toujours clair. Dans ce travail de thèse, au moyen de simulations numériques et d'expériences modèles, nous analysons la compaction de grains frottant hautement déformables, de différentes formes, ou encore des mélanges de grains déformable/rigide en deux et trois dimensions. Numériquement, nous utilisons la méthode de dynamique des contacts non régulière (``Non-Smooth Contact Dynamics NSCD'') couplant la méthode de Dynamique des Contacts (pour gérer le contact entre grains) à la méthode des Eléments Finis (pour la déformation des grains), et expérimentalement nous utilisons des techniques d'imagerie à haute résolution couplées à des algorithmes de DIC sur un système quasi-2D de compression unixial. Dans tous nos essais, nous caractérisons l'évolution de la compacité, du module élastique et de la microstructure (réarrangement des particules, connectivité, forces de contact et distributions des contraintes dans les particules) en fonction des contraintes appliquées. Nous montrons que la compacité évolue de manière non linéaire à partir du point de blocage et tend asymptotiquement vers une compacité maximale qui dépend du rapport de mélange de grains déformable/rigide, du coefficient de frottement ou encore de la forme des particules. À l'échelle microscopique, différentes relations en lois de puissances sont mises en évidence entre, d'un coté, les structures locales à l'échelle des grains et des contacts et, de l'autre coté, la compacité et la pression, indépendamment de la forme, du rapport de mélange ou de la dimension du problème (2D/3D). Finalement, un résultat majeur de ce travail est la mise en place d'un cadre théorique et micromécanique pour l'étude de la compaction d'assemblages granulaires mous au-delà du point de blocage. Ce cadre micromécanique s'appuie sur le tenseur des contraintes granulaires, sa limite aux petites déformations, et de l'évolution de la connectivité des particules. À partir de l'expression de ces quantités, nous établissons différentes équations de compaction, libres de tout paramètres ad hoc, et reproduisant parfaitement nos données numériques et expérimentales. Ces équations dépendent principalement de la dimension considérée (2D/3D), et prennent en compte les caractéristiques de forme, de bi-dispersité élastique, ou de géométrie de compression (uniaxiale vs isotrope). Le cadre micromécanique proposé permet d'unifier le comportement de compactage des assemblages de particules molles, molles/rigides et non circulaires de manière cohérente, à la fois en 2D et en 3D, pour une compression isotrope et uniaxiale.The compaction behavior of deformable grain assemblies beyond jamming remains misunderstood, and existing models that seek to find the relationship between the confining pressure "P" and solid fraction "phi" end up settling for empirical strategies or fitting parameters. Numerically and experimentally, we analyze the compaction of highly deformable frictional grains of different shapes and soft/rigid particle mixtures in two and three dimensions: numerically, using a coupled discrete - finite element method, the Non-Smooth Contact Dynamics Method (NSCD), and experimentally using high-resolution imaging coupled with a dedicated DIC algorithm. We characterize the evolution of the packing fraction, the elastic modulus, and the microstructure (particle rearrangement, connectivity, contact force, and particle stress distributions) as a function of the applied stresses. We show that the solid fraction evolves non-linearly from the jamming point and asymptotically tends to a maximal packing fraction, depending on the soft/rigid mixture ratio, the friction coefficient, and the particle shape. At the microscopic scale, different power-law relations are evidenced between the local grain structure and contacts, and the packing fraction and pressure, regardless of the shape, the mixture ratio, or the dimensionality (2D/3D). A significant outcome of this work is the development of a theoretical and micromechanical-based approach for the compaction of soft granular assemblies far beyond the jamming point. This latter is derived from the granular stress tensor, its limit to small deformations, and the evolution of the connectivity. Furthermore, from the expression of these well-defined quantities, we establish different compaction equations, free of ad hoc parameters, well-fitting our numerical and experimental data. These equations mainly depend on the dimensionality, where the characteristics of shape, elastic bi-dispersity, and compression geometry (uniaxial vs isotropic) are considered as input parameters. Our theoretical framework allows us to unify the compaction behavior of assemblies of soft, soft/rigid, and noncircular soft particles coherently, both in 2D and 3D, for isotropic and uniaxial compression
Étude Numérique et Expérimentale de l’Écoulement Granulaire Dense de ParticulesFortement Concaves : Modélisation Non-Locale pour les Géométries du Plan Inclinéet du Tambour Tournant
No full textLes matériaux granulaires sont une classe de matériaux utilisés de longue dates par les humains. Ils sont encore de nos jours omniprésents dans notre vie quotidienne, au travers de substances comme le riz, le sel, le gravier, le charbon, le sable ou la neige, pour n'en siter que quelques uns. Ils interviennent très largement dans l'industrie, allant de l'agriculture et de la construction à la pharmacie et à la plupart des biens. En réalité, les matériaux granulaires sont le deuxième matériau le plus manipulé en termes de poids dans l'industrie mondiale, dépassés uniquement par l'eau cite{DeGennes1999}. Malgré leur utilisation industrielle répandue, le comportement des matériaux granulaires reste complexe et difficile à appréhender. Ils peuvent présenter des caractéristiques de solides, de liquides et de gaz, parfois simultanément sous la même sollicitation. Par exemple, le sable peut se maintenir comme solide, formant une dune avec une pente particulière. Lorsque la pente de la dune augmente, les grains en surface commencent à s'écouler, provoquant des avalanches qui ramènent la pente à une valeur stable. À la surface libre de l'écoulement, les grains entrent en collision et interagissent avec, par exemple, l'air ambiant, produisant un état gazeux (collisionnel) en plus des deux autres phases présentes dans le matériau.Cette complexité découle de la nature discrète des particules, la forme des grains jouant un rôle crucial parmi les divers facteurs influençant le comportement de ce matériau. La géométrie des grains affecte directement la distribution des forces de contact à l'échelle microscopique. Ces dernières forment des chaînes de force au sein des assemblages de particules compactées, ce qui influence les propriétés physiques macroscopiques du matériau. En général, la compacité est associée à une résistance en cisaillement et à une résistance à la compression améliorée. Cependant, cette relation devient plus subtile dans le cas de formes de particules non convexes. Cette classe de particules bien spécifique permet des types de contact différent, donnant la possibilité aux particules adjacentes d'interagir par enchevêtrement. Ainsi, une faible compacité ne se traduit pas nécessairement par une réduction de la stabilité mécanique Certains architectes ont utilisé ces propriétés uniques pour créer des structures autoportantes permettant un démontage rapide et une reconfiguration aisée en utilisant des particules fortement non convexes. On peut par exemple citer le cas de particules en forme de Z ou d'hexapodes.Des polypodes similaires sont également utilisée pour protéger les traits de côte l'érosion maritime. Ainsi, des enchevêtrement de gros tétrapodes en béton nous protège de la houle.Cependant, les mécanismes d'enchevêtrement et la transition entre les phases à comportement solide et liquide pour de tels systèmes restent largement inexplorés. Explorer l'évolution de la rhéologie d'un milieu granulaire lorque ses grains le composant passe de formes sphériques à des formes fortement non convexes, permet d'éclairer les mécanismes morphologiques régissant ces matériaux. Cela offre également des perspectives précieuses pour des domaines connexes, tels que la modélisation rhéologique des grains amorphes et l'enchevêtrement dans les systèmes polymériques.Dans cette thèse, nous explorons l'écoulement de cette nouvelle emph{matière méta-granulaire} aux propriétés mécaniques intrigantes. Nous étudions l'impact des variations du nombre de branches et des degrés de concavité sur le comportement en écoulements de ces milieux granulaires, allant de formes sphériques à des formes hautement concaves.Granular materials are a historic class of materials that can exhibit characteristics of solids, liquids and gases. From agriculture and construction to pharmaceuticals and manufacturing, granular materials are ubiquitous in daily life. Paradigms of new meta-granular matter, a type of highly concave polypod particle, in biological and architectural fields have demonstrated the unique properties that extend the potential application of granular materials. However, the flow of highly concave particles remains largely unexplored, limiting their further application.To explore the flow properties of this new meta-granular matter, this thesis focuses on the study of dense granular flow with star-shaped polypods. We investigate how the concavity and branch number of these polypods affect flow behavior in dense granular systems through both numerical simulations and experiments. We use the Discrete Element Method (DEM) to study the flow of 3D polypods with branch numbers ranging from 4 to 20 down an inclined plane, as well as the flow of 2D particles varying from discs to crosses in a rotating drum. In our experiments, we explore flow regimes and repose angles in the rotating drum by varying particle shapes from spherical to highly concave, while adjusting frictional properties, branch numbers, and drum speed.To quantitatively describe the influence of particle shape on steady flow, we develop a new framework by extending the Bagnold scaling, linking the packing fraction and stress distribution to the shear rate for both flows on an inclined plane and in a rotating drum.Our results indicate that a flowing system in a rotating drum is more likely to remain in a stable regime when particle concavity is low, drum rotation speed is high, and interparticle friction is low. Conversely, the system is more likely to exhibit larger periodic avalanches when the number of branches is either low (4) or high (20). A similar result was observed in the steady flow down an inclined plane, where the surface velocity is lower when the number of branches is either low (4) or high (20). Microscopic analysis shows that the particles with 4 branches experience deeper entanglement, which reduces angular velocity, whereas the particles with 20 branches exhibit shallower entanglement but a higher number of interparticle contacts, forming a thicker creep zone at the bottom. In the steady flow of a rotating drum, our new framework successfully captures the nuanced velocity transition between jamming and flow for different particle shapes. Furthermore, this framework also reproduces the creeping zone in the velocity profile for the flow on the inclined plane.This thesis offers new insights into the role of particle shape in dense granular flow and explores the non-local models that incorporate the effect of concavity
Exploring the scales in highly deformable grain assemblies when compressed far beyond the jammed state
No full textInternational audienceWhen hard grains (i.e., with high stiffness relatively to the applied stress) are compressed inside a box, they tend to rearrange themselves in a more compact way until a permanent contact forces network is reached, meaning the end of the compression. This “jammed state” depends on the morphology of the grain and the inter-grain friction. What happens now if we consider grains that can deform when the applied stress becomes significant? The compression continues beyond the jammed state, mainly due to the change in shape of the grains and, to a lesser extent, due to their rearrangements. As a result, the solid fraction exceeds that of the Random Close Packing, and it would even be possible to en<rely fill the space. By means of coupled finite-discrete elements methods (the non-smooth contact dynamics method NSCD) and experiments using high-resolution imaging coupled with a dedicated DIC algorithm, we analyze the compressive behavior, beyond the jammed state, of two- and three-dimensional granular assemblies made of soR (hyperelastic) grains of different shapes and soft/rigid grain mixtures. We characterize the evolution of the main mechanicalobservables, from the global scale down to the strain field inside each deformable grain. At the microscopic scale, different power-law relations are evidenced between the local grain structure and contacts, and the packing fraction. We develop an equation that describes the evolution of the packing fraction as a function of the applied pressure. This latter is derived from the granular stress tensor, its limit to small deformations, and the evolution of the connectivity. This compaction equation provides good predictions from the jamming point up to very high densities without the need for tuning any parameters both for numerical and experimental data
Etude numérique de milieux granulaires à grains polyédriques : rhéologie quasi-statique, <br />dynamique vibratoire et application au procédé de bourrage du ballast.
No full textThe present PhD work deals with numerical modelling of the tamping process on railway ballast, which is a common operation in order to restore the level of the rail tracks following differential settlement under dynamic loading, in view of micromechanical analysis of physical phenomena involved in different phases of this process. A discrete element model is developped in the framework of the contact dynamics method that allows us to simulate a full cycle of the process consisting of introducing vibrating metallic arms into the ballast, compressing the ballast under the sliders and pulling out the arms. These simulations take into account the polyhedral shape of the grains which is an important element for realistic simulations of ballast. A detailed investigation of the quasistatic rheology of granular materials with polyhedral particle shapes was performed allowing us to evidence the micrormechanical origins of the shear strength of these materials closely related to the facetedness of the particles. The vibrational dynamics of the grains was studied in interaction with a vibrating intruder and under the action of horizontal vibrations of a retaining wall. A scaling of the dynamics as a function of loading parameters is proposed by dimensional analysis and validated by simulations, as well as a characteristic frequency for optimal compaction of the material. Finally, on the basis of these investigations and parametric studies, concrete recommendations are proposed in order to improve the performance of the tamping process.ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse des mécanismes physiques en jeu lors du procédé de bourrage du ballast ferroviaire. Celui-ci consiste à remettre à niveau la voie suite aux tassements différentiels induits par les circulations des trains. Nous avons développé un modèle en éléments discrets par la méthode de dynamique des contacts qui permet de simuler un cycle complet du procédé composé de l'enfoncement des bras mécaniques, le serrage du ballast sous la traverse et le retrait des bras. Ces simulations prennent notamment en compte la forme polyédrique des grains, ce qui constitue un élément important pour une simulation réaliste de la dynamique du ballast. Une étude détaillée de la rhéologie quasi-statique des matériaux granulaires à grains polyédriques a été ainsi effectuée permettant de mettre en évidence l'origine de la résistance mécanique de ces matériaux liée à la forme facettée des grains. La dynamique vibratoire des grains a été explorée en interaction avec un outil vibrant et sous l'effet des vibrations horizontales. Ces études ont permis de proposer une mise à l'échelle de la dynamique en fonction des paramètres de chargement et de mettre en évidence une fréquence caractéristique pour une compaction optimale du milieu granulaire. Ces analyses et des études paramétriques ont permis de proposer des recommandations précises pour améliorer les performances du procédé de bourrage
Etude numérique de milieux granulaires à grains polyédriques : rhéologie quasi-statique, <br />dynamique vibratoire et application au procédé de bourrage du ballast.
No full textThe present PhD work deals with numerical modelling of the tamping process on railway ballast, which is a common operation in order to restore the level of the rail tracks following differential settlement under dynamic loading, in view of micromechanical analysis of physical phenomena involved in different phases of this process. A discrete element model is developped in the framework of the contact dynamics method that allows us to simulate a full cycle of the process consisting of introducing vibrating metallic arms into the ballast, compressing the ballast under the sliders and pulling out the arms. These simulations take into account the polyhedral shape of the grains which is an important element for realistic simulations of ballast. A detailed investigation of the quasistatic rheology of granular materials with polyhedral particle shapes was performed allowing us to evidence the micrormechanical origins of the shear strength of these materials closely related to the facetedness of the particles. The vibrational dynamics of the grains was studied in interaction with a vibrating intruder and under the action of horizontal vibrations of a retaining wall. A scaling of the dynamics as a function of loading parameters is proposed by dimensional analysis and validated by simulations, as well as a characteristic frequency for optimal compaction of the material. Finally, on the basis of these investigations and parametric studies, concrete recommendations are proposed in order to improve the performance of the tamping process.ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse des mécanismes physiques en jeu lors du procédé de bourrage du ballast ferroviaire. Celui-ci consiste à remettre à niveau la voie suite aux tassements différentiels induits par les circulations des trains. Nous avons développé un modèle en éléments discrets par la méthode de dynamique des contacts qui permet de simuler un cycle complet du procédé composé de l'enfoncement des bras mécaniques, le serrage du ballast sous la traverse et le retrait des bras. Ces simulations prennent notamment en compte la forme polyédrique des grains, ce qui constitue un élément important pour une simulation réaliste de la dynamique du ballast. Une étude détaillée de la rhéologie quasi-statique des matériaux granulaires à grains polyédriques a été ainsi effectuée permettant de mettre en évidence l'origine de la résistance mécanique de ces matériaux liée à la forme facettée des grains. La dynamique vibratoire des grains a été explorée en interaction avec un outil vibrant et sous l'effet des vibrations horizontales. Ces études ont permis de proposer une mise à l'échelle de la dynamique en fonction des paramètres de chargement et de mettre en évidence une fréquence caractéristique pour une compaction optimale du milieu granulaire. Ces analyses et des études paramétriques ont permis de proposer des recommandations précises pour améliorer les performances du procédé de bourrage
Milieux granulaires à composition réaliste - Rhéologie et structure interne
No full textMilieux granulaires à composition réaliste-Rhéologie et structure interne-par Émilien AZÉMA Spécialité : Mécanique, Génie Mécanique et Génie civil. Ecole doctorale : Informations, Structures, Systèmes. Soutenue le 28/10/2016 devant la commission d'examen composée par
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
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