Proposal of a rotational resistance model and of a particle pack generation method for the numerical analysis of granular materials using the discrete element method.

Com o avanço computacional, o Método dos Elementos Discretos (MED) tem se constituído uma ferramenta útil para o estudo de materiais granulares, oferecendo uma alternativa à abordagem (muitas vezes conveniente) de se idealizá-los como meios contínuos. Para que o método seja empregado e o material representado adequadamente, é necessário gerar previamente uma amostra de partículas, que de preferência respeite uma distribuição granulométrica dada e uma porosidade imposta. A maior parte dos métodos de geração de amostras disponíveis atualmente não considera a distribuição granulométrica, e os poucos que a consideram não proporcionam amostras com distribuição e porosidade que sejam satisfatórias para todos os tipos de granulometria possíveis. Diante disso, um dos objetivos deste trabalho foi desenvolver um método de geração de amostras de partículas com vistas à simulação computacional de materiais granulares por meio do MED, com a particularidade de que seja levada em consideração a curva de distribuição granulométrica e a porosidade do material de interesse. O método foi implementado no programa SGen, que está sendo desenvolvido no Laboratório de Mecânica Computacional do PEF/EPUSP. Sua validação foi realizada, observando-se excelente aderência entre os dados impostos e os resultados obtidos, com superioridade quando comparados a amostras geradas com métodos existentes e com programas comerciais de MED. O método considera partículas com formato esférico, objetivando eficiência computacional. Para que essas partículas tenham comportamento adequado em uma simulação com o MED, sem apresentar rotação indefinida em amostras estáticas, a consideração da resistência ao movimento rotacional é extremamente importante. Nesse sentido, outro objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo de resistência ao giro de torção relativa (ou twisting) combinado à resistência ao rolamento para contato entre partículas, e implementá-lo no programa de elementos discretos PSY (também em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica Computacional do PEF/EPUSP). Observou-se um comportamento mecânico adequado e compatível com o encontrado nos modelos mais avançados da literatura.Advancements in computational hardware allowed the Discrete Element Method (DEM) to become a useful tool for the study of granular materials, offering an alternative to the approach (at times suitable) of idealizing them as a continuum. For the method to be used and the material to be represented appropriately, it is necessary to previously generate a particle pack or sample, preferably following a given particle size distribution and an imposed porosity. Most of the particle sample generation methods currently available do not consider the particle size distribution, and the few that consider do not provide samples with fully satisfactory distribution and porosity for all types of possible granulometries. In this context, one of the purposes of this work was to develop a particle sample generation method that accurately allows for a predefined grain size distribution and porosity for discrete element simulations of granular materials. The method was implemented into SGen, a computer program that is being developed at the Computational Mechanics Laboratory of PEF/EPUSP. Its validation was performed, observing excellent agreement between the imposed data and the results obtained, with superiority when compared to samples generated either with existing methods or commercial DEM programs. The method considers particles with spherical shapes only, aiming at computational efficiency. For such particles to behave appropriately in DEM simulations, such that they do not have indefinite rotation when in static samples or particle piles, consideration of the resistance to the rotational motion is critical. In this sense, another objective of this work was to develop a twisting resistance model combined with a rolling resistance model for contact between particles, and to implement it into the discrete element program PSY (also under development in the Computational Mechanics Laboratory of PEF/EPUSP). An appropriate mechanical behavior was observed, in agreement with that found in most of the advanced models in the literature