Modelo de ângulo de atrito interno de partículas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 2036 (2022) Citar este artigo

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Atualmente, a pressão da indústria para agilizar os processos criando seus modelos de simulação e, assim, para a digitalização gradual é crescente. A essência dos modelos de simulação representativos de materiais a granel é entender os princípios e as leis do comportamento real das partículas. O objetivo deste estudo é, portanto, encontrar e quantificar as possibilidades e princípios de como as partículas podem mudar sua posição em relação a outras partículas. As possibilidades de deslocamentos das partículas foram expressas usando suas trajetórias específicas e razões de trabalho, ou valores de ângulo de atrito interno. Isso criou um novo modelo abrangente do ângulo de atrito interno das partículas independente do tamanho das partículas. Possibilita a interpretação dos valores determinados dos ângulos de atrito interno das partículas e sua aplicação no campo das simulações de modelos de massa e processos. O modelo pode ser usado para determinar a composição básica das partículas em volume e as formas dominantes de seus deslocamentos mútuos.

No campo da mecânica de material particulado, pode parecer que a questão geral do deslocamento de partículas é resolvida pela suposição de movimento quase linear baseado em partículas infinitesimais ou pelo menos suficientemente pequenas comparadas ao espaço em que elas se movem. O exemplo pode ser a tensão de cisalhamento versus razão entre o diâmetro da célula de cisalhamento D e o tamanho da partícula1.

Ensaios de cisalhamento para determinação dos parâmetros de atrito e escoamento são métodos bastante adequados para descrever as propriedades de materiais particulados2,3,4,5. Os fabricantes de máquinas de cisalhamento usam diferentes designs de células de cisalhamento e, com base no tamanho, também recomendam diferentes proporções de tamanho máximo de partícula para o tamanho característico dessas células6,7.

No teste de cisalhamento direto de Jenike, o plano de cisalhamento não é idealmente horizontal1,6. A direção de cisalhamento real desvia angularmente do plano de cisalhamento horizontal imaginário. É mais uma zona de cisalhamento do que um plano. O tamanho da partícula e o carregamento normal têm um efeito significativo nas propriedades da zona de cisalhamento. Numerosos experimentos foram realizados no teste de cisalhamento de Jenike, onde a forma da zona de cisalhamento foi demonstrada, por exemplo, por varredura de raios X8.

O estado atual da pesquisa de partículas permite estudos mais detalhados do comportamento das partículas usando simulações de elementos discretos (DEM). Muitos trabalhos têm focado na determinação eficiente da forma ideal da partícula para processos de simulação9,10. Estes métodos de processo são validados de acordo com os comportamentos volumétricos dos materiais. Existe uma correlação direta com o efeito das propriedades da forma da partícula no comportamento volumétrico e de resistência junto com a mudança no ângulo de atrito interno11. Para avaliar as propriedades complexas do material com base no atrito interno, o efeito da forma da partícula no atrito interno pode ser incluído.

Os testes de cisalhamento têm sido objeto de muitas pesquisas com foco no DEM12. A diversidade da distribuição de força, direções e velocidades das partículas e o efeito do tamanho das partículas na zona de cisalhamento, sua forma e tamanho também foram demonstrados usando simulações DEM13,14. Os resultados de experimentos e simulações mostram que a zona de cisalhamento não é um plano horizontal e sua forma está comprovadamente relacionada a deslocamentos de partículas.

Um plano de cisalhamento ideal seria criado por cisalhamento preciso (seção transversal) de partículas em uma célula de cisalhamento ou pelo cisalhamento de partículas infinitesimais.

A dilatação em materiais granulares é outro conceito importante15. Dilatação aqui significa uma mudança no volume que é causada por deformação de cisalhamento quase estática. Reynolds afirmou que o ângulo de atrito usado por Rankin é uma grandeza macroscópica "Relacionada ao arranjo das partículas"16. Está provado que o atrito entre as partículas é muito menos importante na determinação da resistência de materiais granulares em macrodimensões do que seu "arranjo"16,17,18.