Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorGrimstad, Gustav
dc.contributor.advisorTorgersrud, Øyvind
dc.contributor.authorMohus, Oda
dc.contributor.authorEikebrokk, Anna
dc.date.accessioned2021-10-03T16:41:52Z
dc.date.available2021-10-03T16:41:52Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:80589635:18291803
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2787271
dc.description.abstractFor å utbedre kunnskapen om granulære materialer og deres oppførsel kan diskret elementmetode være et viktig hjelpemiddel. LS-DEM er en variant av diskret elementmetode, men skiller seg fra den tradisjonelle typen ved at nøyaktig kornform inkluderes i koden. Bruk av slike numeriske modeller kan til en viss grad redusere omfanget av nødvendig laboratorietesting, samt de begrensninger disse assosieres med. Videre kan LS-DEM måle rotasjon og geometrisk konfigurasjon av enkelte partikler. Dette er egenskaper som er vanskelige å undersøke i lab, dog betydningsfulle for oppførselen til granulære materialer. I denne oppgaven har resultater fra LS-DEM simuleringer blitt brukt som utgangspunkt for å kalibrere SANISAND-modellen. Simuleringene er utført med prøver av Hostun sand, som består av angulære og ikke-sfæriske korn. Det har spesielt blitt lagt vekt på definere en unik "critical state line", da dette foreløpig er utfordrende å gjøre med eksperimentelle resultater. SANISAND modellparametere er kalibrert ved hjelp av Pythonskript og PLAXIS Soil Test. Alle analysene nådde samme kritiske spenningsforhold. Videre nådde alle et vel definert kritisk poretall, utifra hvilke en "critical state line" ble kalibrert. Verdien av "bounding surface" parameteren er vurdert til å være nokså nøyaktig. Datapunktene nødvendige i kalibreringen av "phase transformation" parameteren var spredt, og det knyttes dermed usikkerhet til denne verdien. "Kinematic hardening" parameterne, kalibrert ved prøve-og-feile metoden, gir SANISAND respons som passer nokså godt med LS-DEM resultatene. Men, stor usikkerhet er knyttet til disse verdiene, noe det anbefales å undersøke videre. Videre vurderes dilatansparameteren å være veldefinert, dette fordi SANISAND korresponderer med LS-DEM resultatene for deviatorisk tøyning mot volumetrisk tøyning. Alt i alt gjengir SANISAND modellen oppførselen som er observert ved LS-DEM relativt nøyaktig. Dette underbygger både at SANISAND kan gjengi sandoppførsel under monotonisk belastning, men også at LS-DEM kan simulere karakteristisk oppførsel av friksjonsjordarter. Ved å erstatte de realistiske kornformene i LS-DEM med sfæriske korn, ble det undersøkt hvorvidt kornformen påvirker resultatene. "Critical state" parametere for Hostun sand ble i den sammenheng sammenliknet med tilsvarende parametere kalibrert fra analysene med sfæriske korn. Denne sammenligningen viser at analysene der kornform er inkludert når høyere kritisk spenningsforhold og poretall enn analysene med sfæriske korn gjør. Flere svakheter ved LS-DEM er belyst. Det er observert hopp i gjennomsnittsspenningene, noe som indikerer numeriske problemer i analysene. Disse variasjonene kan sannsynligvis begrenses ved å redusere tidssteget brukt i koden. I tillegg understrekes det at en betydelig mengde datakraft er nødvendig for å kjøre LS-DEM analysene. Med de kalibrerte modellparameterne korresponderer den oppførselen SANISAND forutsier med LS-DEM resultatene, også for uavhengige analyser. Det understrekes dog at å utføre en skikkelig validering av resultatene er nødvendig. Uansett har LS-DEM, tross sine begrensninger, fortsatt potensiale for å kunne bidra til å utvikle kunnskapen om granulære materialer.
dc.description.abstractThe discrete element method is proposed as an important tool in the quest of understanding the fundamental behavior of granular materials. LS-DEM is a discrete element model that, by level set functions, accurately incorporates the true grain shapes in its formulation. By using a numerical model, several limitations associated with conventional laboratory testing can be eliminated. An essential part of soil characterization is to achieve several different stress paths from an identical state. However, such experiments have shown to be extremely difficult to conduct in the lab, due to limitations associated with physical sample preparation and the influence of boundary conditions. This could easily be done with LS-DEM simulations. In addition, the simulation results can be used to investigate quantities like fabric and particle rotations, which are difficult to measure in the lab, and have proven to be important for describing the overall granular behavior. This paper presents how LS-DEM simulations can be used to calibrate the input parameters of the advanced constitutive material model, SANISAND. The simulations have been performed on Hostun sand, characterized by angular grains with low sphericity. Special focus has been set on defining the critical state line, which is currently challenging to establish from conventional laboratory testing. SANISAND input parameters have been calibrated using Python and PLAXIS Soil Test. It was observed that all analyses reached a well defined critical state, and a location of the critical state line is proposed. However, the critical void ratio was expected to be more pressure dependent than what was observed for initial pressures p=10-500 kPa. The bounding surface parameter is considered well defined, whereas the results needed to calibrate the phase transformation surface were scattered, resulting in uncertainty related to the slope of this. The kinematic hardening parameters, calibrated using trial and error, yield adequate average fits between LS-DEM analyses and the SANISAND response. However, the analyses run in this thesis are not sufficient for defining them uniquely. Determining these parameters is therefore proposed as an objective for a future study. The calibrated dilatancy parameter is considered relatively certain as its fit to the LS-DEM simulations appears accurate. To investigate the effect of incorporating realistic grain shapes in the DEM formulation, a selection of the simulations were run with spherical grains. The calibrated critical state line for Hostun sand was then compared with the corresponding critical state line for the analyses run with spherical grains. The simulations performed and investigated in this study shows that the sample consisting of true grain shapes reaches a higher critical stress ratio and void ratio than the sample with spherical grains. Several preliminary limitations regarding the LS-DEM analyses in this study have been discussed. Jumps in the average stresses at the boundaries were detected, indicating the occurrence of numerical instabilities in the analyses. These fluctuations can presumably be limited by reducing the applied time step. Moreover, it needs to be highlighted that the computational costs running LS-DEM constitutes a significant drawback of the method. Finally, with calibrated input parameters, SANISAND response and LS-DEM results correspond, also for independently run numerical analyses. However, it is necessary to perform a proper validation to ensure this correspondence. Regardless, despite its limitations, LS-DEM is still considered a promising tool to understand the nature behind characteristic behavior of granular material.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleSimulations of Characteristic Sand Behavior by DEM
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel