Mechanical analysis of 2D composite granular materials : thermomechanical experiments and numerical simulations

par Pawarut Jongchansitto

Thèse de doctorat en Génie Mécanique

Soutenue le 28-08-2015

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) .

Le président du jury était Supasit Rodkwan.

Le jury était composé de Xavier Balandraud, Michel Grédiac, Itthichai Preechawuttipong, Somchai Pattana, Wetchayan Rangsri.

Les rapporteurs étaient Farhang Radjaï.

  • Titre traduit

    Analyse mécanique de matériaux granulaires 2D composites : expériences thermomécaniques et simulations numériques


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est d'analyser le comportement mécanique de matériaux granulaires composites bidimensionels en terme de textures granulaires en utilisant deux approches : étude expérimentale par "thermoelastic stress analysis" et étude numérique par dynamique moléculaire. Les systèmes granulaires composites sont préparés à l'aide de cylindres en polyoxyméthylène (POM) et polyéthylène haute densité (PEHD), présentant un rapport de rigidité de 4 entre eux. Différents rapports de diamètres et de nombres de particules sont considérés. Les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord à l'échelle macroscopique. En particulier, le réseau fort (qui est ici caractérisé par des contraintes hydrostatiques supérieures à la valeur moyenne) contient moins de 50% des particules, et présente une distribution décroissance exponentielle quel que soit le type de particules considéré pour l'analyse (particules souples, particules rigides, toutes les particules). De plus, la distribution des contacts entre particules rigides (contacts POM-POM) est anisotrope et tend à s'organiser dans le sens de la direction du chargement extérieur appliqué, tandis que les autres types de contact agissent principalement pour maintenir le système en équilibre.


  • Résumé

    The main objective of our dissertation is to analyze the mechanical behavior of two-dimensional composite granular materials through the granular textures. Thermoelatic stress analysis experiments and molecular dynamics simulations are used for this purpose. The composite granular systems are prepared from polyoxymethylene (POM) and high-density polyethylene (HDPE) cylinders with a stiffness ratio of about 4 between them. Different configurations in terms of ratios of diameter size and ratio of particle numbers are systematically investigated. Experimental and numerical results are good correlated at the macroscopic scale. In particular the strong network, which is here characterized by hydrostatic stresses higher than the mean value, consists of less than 50% of all particles, and exhibits an exponential decay whatever the type of particles considered for the analysis (soft, stiff, or both types). In addition, the contact distributions between stiff particles (POM-POM contacts) is anisotropic with an effort to arrange parallel to the direction of the external applied load, whereas the other types of contacts just act to sustain the granular system in equilibrium.


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