Introduction to Discrete Element Methods

Introduction to Discrete Element Methods Basic of Contact Force Models and how to perform the Micro-Macro Transtion to Continuum Theory Stefan Luding Multi Scale Mechanics, TS, CTW, UTwente, P.O.Box 217, 7500 AE Enschede, Netherlands [email protected] RÉSUMÉ. Un des grand défis de la recherche d’aujourd’hui est de pouvoir simuler de manière réaliste les matériaux granulaires comme le sable ou les poudres qui sont constituées de millions de particules. Dans ce chapitre, la méthode des éléments discrets (DEM en anglais), ba- sée sur le concept de la méthode de dynamique moléculaire, est introduite dans le cadre de la simulation de systèmes contenants un grand nombre de particules et quelques exemples d’applications sont présentés. Il existe en fait deux approches de base, celle appelée “soft particle molecular dynamics” et celle appelée “hard sphere, event-driven method”. La première est directe, facile a généraliser et compte de nombreuses applications, alors que la seconde est optimale pour des interactions de type rigide et est surtout utilisée pour les gaz granulaires dissipatifs. Les relations entre ces deux méthodes sont étudiés. Les modèles de contacts sont basés sur la méthode des éléments discrets (DEM). Une série de modèles de base est présenté avec des interactions de type visco-élastique, adhésives, vis- queuses, des contacts à frottements statique et dynamique ainsi que des contacts résistant en roulement et torsion. Des exemples de simulations de glissements bi-axiaux et cylindriques dans des systèmes denses sont étudiés afin d’illustrer le passage du discret au continu. ABSTRACT. One challenge of todays research is the realistic simulation of granular materials, like sand or powders, consisting of millions of particles. In this chapter, the discrete element method (DEM), as based on molecular dynamics methods, is briefly introduced for the simulation of many-particle systems, and some examples of applications are presented. There exist two basically different approaches, the so-called soft particle molecular dynamics and the hard sphere, event-driven method. The former is straightforward, easy to general- ize, and has numberless applications, while the latter is optimized for rigid interactions and is mainly used for collisional, dissipative granular gases. The connection between the two methods will be elaborated on. Contact models are on the basis of DEM. A set of the most basic force models is presented in- volving elasto-plasticity, adhesion, viscosity, static and dynamic friction as well as rolling- and S. Luding. Volume 10/2008, pages 1 à 43

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