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Department Physik
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UnivIS FAU Erlangen-Nürnberg

Physikalisches Kolloquium
Kolloquium der Theor. Physik
Gruppenseminar der Theorie 1

Masterarbeit

  • Simon Weis
  • Einfluss der Reibung auf strukturelle und mechanische Eigenschaften von Kugel- und Ellipsoidpackungen
Abstract

Reibung ist ein wichtiger Parameter für die Stabilität und strukturellen Eigenschaften granularer Packungen. Es werden Packungen von Kugeln und total asphärische Ellipsoide (zwei verschiedene Sätze an Aspektverhältnissen) mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten auf ihre strukturellen und mechanischen Eigenschaften untersucht.

Die Reibung der Teilchen wird durch Schleifen mit verschiedenen Schleifmitteln erhöht oder durch die Auftragung von Silikonspray erniedrigt. Der Reibungskoeffizient μ wird für die so behandelten Teilchen auf einer schiefen Ebene gemessen, wobei eine signifikante Änderung des Reibungskoeffizi- enten gemessen werden kann. Der Bereich an zugänglichen Reibungskoeffizienten liegt, bezogen auf den Wert der unveränderten Teilchen, zwischen 22 % und 30 %. Die Rauigkeit der Oberfläche wird untersucht, wobei mit den hier durchgeführten Tomogrammen der Teilchenoberfläche keine Korrelation der Rauigkeit zu den veränderten Reibungsmessungen gefunden werden kann.

Verschiedene Packungen der so behandelten Teilchen werden in einem zylindrischen Container bei unterschiedlichen Packungsdichten im Bereich von 60 % bis 70% präpariert und mit Röntgento- mographie vermessen. Aus den so erhaltenen Tomogrammen werden die Größen, die Positionen und die Orientierungen der Teilchen bestimmt. Für diese Daten wird das Set-Voronoi-Diagramm als Verallgemeinerung des Punkt-Voronoi-Diagramms für anisotrope Teilchen berechnet. Mittels Minkowski-Tensoren der Voronoi-Zellen wird die Struktur und Anisotropie der Packung untersucht.

Die Reibung der Teilchen beeinflusst die Kontaktzahl, wobei Packungen mit niedrigerer Reibung im Mittel mehr Kontakte für eine stabile Packung benötigen. Dies kann sowohl in der globalen als auch in der lokalen Kontaktzahl von Kugeln beobachtet werden. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Packungen der total asphärischen Ellipsoiden hyperstatisch sind. Im Kontrast dazu zeigt die Änderung der Reibung keinen signifikanten Einfluss auf die Anisotropiemaße der Packungen. Diese spiegeln insbesondere nicht die Änderung der Kontaktzahlen wieder. Generell kann gezeigt werden, dass sich die total asphärischen Ellipsoide bezüglich der Kontakte und Anisotropiemaße in Abhän- gigkeit des Aspektverhältnisses wie ihre prolaten und oblaten Gegenparts verhalten: Ein höheres Aspektverhältnis bedingt mehr Kontakte und niedrigere Anisotrotropiemaße. Die Ergebnisse der Kugelpackungen dieser Arbeit werden mit verschiedenen DEM- und LS-Simulationen verglichen.

Zur Messung der mechanischen Eigenschaften von granularen Packungen wird im Rahmen dieser Arbeit ein Scherzellenaufbau verwendet. Die Anbindung an den PC und die Software zur An- steuerung wird im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Es werden erste Messungen mit dem Aufbau durchgeführt, wobei ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Programmierung und Kalibrierung liegt.