Identification of contact forces and Thermomechanical Couplings in 2D granular systems using simulations and full-field measurement techniques: VFM, LSA and IRT

การระบุแรงสัมผัสและเทอร์โมเมคานิกส์คัปปลิ้งในระบบวัสดุเม็ด 2 มิติโดยใช้การจำลองและเทคนิคการวัดเต็มสนาม: VFM, LSA และ IRT

Name: Kunanon Jongchansitto

LCSH: Mechanical engineering

LCSH: Thermoplastics

LCSH: Thermodynamics

LCSH: Spectrum analysis

Abstract: Granular materials are collections of solid particles of various shapes, materials and sizes, making their behavior complex. In the past, effective understanding was mainly derived from experiments, which were limited by the equipment available at the time. Numerical approaches based on the Discrete Element Method were then developed. These are powerful, reliable and widely used as efficient tools for studying granular media. In comparison, experimentation was not as widespread due to difficulties of preparation and instrumentation. In recent decades, non-contact full-field measurement techniques based on cameras have become increasingly familiar and attractive in the experimental mechanics community. This is due to rapid advances in equipment. Some of these were used to study two-dimensional (2D) granular media under mechanical loading: particle image velocimetry (PIV) to measure strain patterns ; digital image correlation (DIC) to measure strains within deformable particles ; photoelasticimetry to measure shear stresses in particles made of birefringent material ; and thermoelastic stress analysis (TSA) based on infrared thermography (IRT) to measure hydrostatic stresses in particles. Some of these techniques enabled identifying the interparticle forces using appropriate image processing. However, there are certain limitations due to the specifications of each technique. Besides, soft granular materials have rarely been studied with these techniques. In this context, the aim of the thesis is to develop other full-field techniques for two purposes: 1) to identify contact forces using the virtual fields method (VFM) from knowledge of the strain distribution obtained by localized spectrum analysis (LSA) ; 2) to identify thermomechanical couplings in soft particles using IRT. Synthetic strain data provided by a finite element model were first used for the first objective. It was shown that if the mechanical response of the constitutive material is known, the contact forces applied to a particle can be identified since they are proportional to an integral of the measured strains weighted by their virtual counterparts. Various strategies were tested to propose kinematically admissible fields for the virtual displacements. Identification robustness was studied with respect to various sources of error. Measurements by LSA, providing a relevant compromise between strain resolution and spatial resolution, were then performed on a three-particle system and bigger systems made of PA66 cylindrical particles. In addition to the VFM equations, particle equilibrium and Newton’s third law of motion were considered to propose a relevant strategy for processing the experimental data. The statistical analysis for bidisperse and tridisperse systems allowed to characterize the exponential and power laws for the strong and weak force networks, respectively, that are usually found in polydisperse dry systems. For the second objective, granular media made of thermoplastic polyurethane (TPU) cylinders with ellipsoidal cross-section were subjected to cyclic confined compression while being observed by an IRT camera. TPU was chosen because it features entropic elasticity, which gives a higher thermal signature than the materials used for TSA. This material also lends a soft character to the granular systems produced. Based on considerations of adiabaticity and thermodynamic cycle completion, strong thermoelastic coupling (TEC) was revealed in the contact areas between all particles due to stress concentrations. Strong mechanical dissipation (MD) was found at specific contacts and within some particles due to damage, viscosity and friction. TEC data was processed for a granular system comprised of about 600 interparticle contacts, providing statistical information. It is demonstrated that IRT provides valuable information to open prospects for building thermodynamically relevant models suitable for soft granular materials.

Abstract: วัสดุเม็ดเป็นกลุ่มของอนุภาคของแข็งที่มีรูปร่าง วัสดุ และขนาดที่แตกต่างกัน ส่งผลให้วัสดุเม็ดนั้นมีพฤติกรรมที่ซับซ้อน ในอดีตวัสดุเม็ดมักจะถูกศึกษาโดยการทดลอง ซึ่งมีข้อจำกัดทางด้านเครื่องมือวัดและอุปกรณ์ที่มีอยู่ในขณะนั้น ดังนั้น การจำลองเชิงตัวเลขจึงได้ถูกพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของวิธีการ Discrete Element Method ซึ่งถือได้ว่าเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และนิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย แตกต่างจากการศึกษาด้วยการทดสอบที่ไม่เป็นที่แพร่หลายมากนัก เนื่องจากความยากลำบากในการเตรียมการทดสอบและข้อจำกัดด้านเครื่องมือวัด ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เทคนิคการวัดแบบเต็มสนามแบบไม่สัมผัสโดยใช้กล้องได้รับความสนใจและถูกใช้งานมากยิ่งขึ้นสำหรับการทดสอบทางด้านกลศาสตร์ เนื่องจากความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์ต่าง ๆ ซึ่งที่ผ่านมานั้น เทคนิคการวัดแบบเต็มสนามได้ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาระบบวัสดุเม็ดในสองมิติ (2D) ภายใต้ภาระเชิงกล ยกตัวอย่างเช่น Particle Image Velocimetry (PIV) สำหรับการวัดรูปแบบความเครียด Digital Image Correlation (DIC) สำหรับการวัดความเครียดภายในอนุภาคที่เสียรูปได้ Photoelasticimetry สำหรับการวัดความเค้นเฉือนในอนุภาคที่ทำจากวัสดุแบบ birefringent และ Thermoelastic Stress Analysis (TSA) โดยอาศัยวิธี Infrared Thermography (IRT) สำหรับการวัดความเค้นอุทกสถิตในอนุภาค นอกจากนี้ เทคนิคการวัดแบบเต็มสนามบางเทคนิคยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการหาแรงระหว่างอนุภาคได้โดยอาศัยการประมวลผลภาพถ่าย อย่างไรก็ตาม เทคนิคเหล่านี้ยังคงมีข้อจำกัดบางประการในการทดสอบ และยังถูกนำมาใช้ในการศึกษาวัสดุเม็ดแบบอ่อนค่อนข้างน้อยอีกด้วย ด้วยเหตุนี้เอง วิทยานิพนธ์นี้จึงมีจุดมุ่งหมายในการพัฒนาเทคนิคการวัดแบบเต็มสนามอื่น ๆ สำหรับวัตถุประสงค์หลักสองประการ กล่าวคือ 1) เพื่อหาแรงสัมผัสโดยอาศัยวิธี Virtual Fields Method (VFM) และข้อมูลการกระจายตัวของความเครียดที่ได้จากการวิเคราะห์โดยวิธีการ Localized Spectrum Analysis (LSA) และ 2) เพื่อหาเทอร์โมเมคานิกส์คัปปลิ้งในอนุภาคแบบอ่อนโดยใช้ IRT สำหรับวัตถุประสงค์แรก ข้อมูลความเครียดสังเคราะห์ได้ถูกสร้างขึ้นจากแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อนำมาใช้ในการศึกษา VFM เบื้องต้น ซึ่งพบว่าหากทราบถึงการตอบสนองเชิงกลของวัสดุจะสามารถหาแรงสัมผัสที่กระทำต่ออนุภาคได้ โดยแรงสัมผัสเหล่านี้จะเป็นสัดส่วนกับค่าอินทิกรัลของความเครียดที่ถูกวัดและถ่วงน้ำหนักด้วยความเครียดเสมือน ซึ่งความเครียดเสมือนนั้นได้ถูกนำเสนอและทดสอบด้วยวิธีการต่าง ๆ เพื่อให้ได้สนามความเครียดเสมือนที่เป็นที่ยอมรับทางจลนศาสตร์ จากนั้นแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดต่าง ๆ ได้ถูกดำเนินการตรวจสอบเพื่อศึกษาถึงประสิทธิภาพของวิธีการต่าง ๆ ที่ใช้ในการหาแรงสัมผัส ต่อมาวิธีการ LSA จะถูกใช้เพื่อวัดความเครียดเชิงพื้นที่ของระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยสามอนุภาค และระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบอนุภาคจำนวนมาก ซึ่งอนุภาคที่ใช้ในการศึกษานั้นเป็นทรงกระบอกที่ทำมาจาก PA66 นอกจากนี้ สมการ VFM สมการสมดุลของอนุภาค และกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันได้ถูกนำมาพิจารณาร่วมกัน เพื่อนำเสนอวิธีการหาแรงสัมผัสที่ดีที่สุดผ่านการประมวลผลข้อมูลที่ได้จากการทดสอบ ท้ายสุดผลลัพธ์ของแรงสัมผัสที่ได้จากวิธีการที่ดีที่สุดได้ถูกนำมาวิเคราะห์ทางสถิติ พบว่า ระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยอนุภาคสองขนาดแตกต่างกันและระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยอนุภาคสามขนาดที่แตกต่างกันนั้นจะแสดงลักษณะที่สามารถอธิบายได้โดยฟังก์ชันเอ็กซ์โปเนนเชียลและฟังก์ชันยกกำลังสำหรับโครงข่ายแรงที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ ตามลำดับ ซึ่งลักษณะดังกล่าวมักพบโดยทั่วไปในระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยอนุภาคหลากหลายขนาดแบบแห้ง สำหรับวัตถุประสงค์ที่สอง ระบบวัสดุเม็ดที่ประกอบด้วยอนุภาคทรงกระบอกเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) ที่มีหน้าตัดรูปวงรีได้ถูกกระทำโดยแรงเชิงกลแบบเป็นวัฏจักร และในขณะเดียวกันก็ถูกบันทึกโดยกล้องอินฟราเรด ทั้งนี้ สาเหตุที่เลือกใช้ TPU ในการทดสอบ เนื่องจากวัสดุชนิดนี้มีลักษณะความยืดหยุ่นแบบเอนโทรปิก ซึ่งให้ลักษณะค่าความร้อนที่สูงกว่าวัสดุยืดหยุ่นแบบไอเซนทรอปิก นอกจากนั้น วัสดุชนิดนี้ยังทำให้ระบบวัสดุเม็ดมีลักษณะแบบอ่อนอีกด้วย จากการทดสอบพบว่า เทอร์โมอิลาสติกคัปปลิ้ง (TEC) ที่รุนแรงปรากฎขึ้นที่บริเวณพื้นที่สัมผัสระหว่างอนุภาคทั้งหมด เนื่องจากความเข้มข้นของความเค้นภายใต้เงื่อนไขการพิจารณากระบวนการอะเดียแบติกและวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์แบบสมบูรณ์ ในส่วนของการสูญเสียพลังงานเชิงกล (MD) ที่รุนแรงนั้นจะถูกพบที่บริเวณพื้นที่สัมผัสเฉพาะบางจุดและภายในอนุภาคบางอนุภาคอันเนื่องมาจากความเสียหาย ความหนืด และแรงเสียดทาน นอกจากนี้ ข้อมูลเทอร์โมอิลาสติกคัปปลิ้งประมาณ 600 จุดสัมผัสยังได้ถูกประมวณผลให้อยู่ในรูปของข้อมูลเชิงสถิติ และแสดงให้เห็นว่าวิธีการ IRT นี้สามารถที่จะให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์อย่างมากและมีโอกาสที่จะใช้ข้อมูลดังกล่าวในการสร้างแบบจำลองที่เกี่ยวข้องกับอุณหพลศาสตร์ที่เหมาะสมสำหรับวัสดุเม็ดแบบอ่อน

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Itthichai Preechawuttipong

Role: Advisor

Name: Chaiy Rungsiyakull

Role: Advisor

Name: Wetchayan Rangsri

Role: Advisor

Name: Xavier Balandraud

Role: Advisor

Name: Michel Grédiac

Role: Advisor

Created: 2023

Modified: 2024-08-18

Issued: 2024-08-18

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Mechanical Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	6106510510.pdf	21.06 MB	1	2024-08-18 15:05:41

ใช้เวลา

0.022564 วินาที