Numerical techniques for non-linear analysis of structures combining discrete element and finite element methods

Abstract

This works encompasses a broad review of the basic aspects of the Discrete Element Method for its application to general granular material handling problems with special emphasis on the topics of particle-structure interaction and the modelling of cohesive materials. On the one hand, a special contact detection algorithm has been developed for the case of spherical particles representing the granular media in contact with the finite elements that discretize the surface of rigid structures. The method, named Double Hierarchy Method, improves the existing state of the art in the field by solving the problems that non-smooth contact regions and multi contact situations present. This topic is later extended to the contact with deformable structures by means of a coupled DE-FE method. To do so, a special procedure is described aiming to consistently transfer the contact forces, which are first calculated on the particles, to the nodes of the FE representing the solids or structures. On the other hand, a model developed by Oñate et al. for the modelling of cohesive materials with the DEM is numerically analysed to draw some conclusions about its capabilities and limitations. In parallel to the theoretical developments, one of the objectives of the thesis is to provide the industrial partner of the doctoral programme, CITECHSA, a computer software called DEMPack (www.cimne.com/dem/) that can apply the coupled DE-FE procedure to real engineering projects. One of the remarkable applications of the developments in the framework of the thesis has been a project with the company Weatherford Ltd. involving the simulation of concrete-like material testing. The thesis is framed within the first graduation (2012-2013) of the Industrial Doctorate program of the Generalitat de Catalunya. The thesis proposal comes out from the agreement between the company CITECHSA and the research centre CIMNE from the Polytechnical University of Catalonia (UPC).

Aquest treball comprèn una àmplia revisió dels aspectes bàsics del Mètode dels Elements Discrets (DEM) per a la seva aplicació genèrica en problemes que involucren la manipulació i transport de material granular posant èmfasi en els temes de la interacció partícula-estructura i la simulació de materials cohesius. Per una banda, s'ha desenvolupat un algoritme especialitzat en la detecció de contactes entre partícules esfèriques que representen el medi granular i els elements finits que conformen una malla de superfície en el modelatge d'estructures rígides. El mètode, anomenat "Double Hierarchy Method", suposa una millora en l'estat de l'art existent al solucionar els problemes que deriven del contacte en regions de transició no suau i en casos amb múltiples contactes. Aquest tema és posteriorment estès al contacte amb estructures deformables per mitjà de l'acoblament entre el DEM i el Mètode dels Elements Finits (FEM) el qual governa la solució de mecànica de sòlids en l'estructura. Per a fer-ho, es descriu un procediment pel qual les forces de contacte, que es calculen en les partícules, es transfereixen de forma consistent als nodes que formen part de l'estructura o sòlid en qüestió. Per altra banda, un model desenvolupat per Oñate et al. per a modelar materials cohesius mitjançant el DEM és analitzat numèricament per tal d'extreure conclusions sobre les seves capacitats i limitacions. En paral·lel als desenvolupaments teòrics, un dels objectius de la tesi és proveir al partner industrial del programa doctoral, CITECHSA, d'un software anomenat DEMpack (http://www.cimne.com/dem/) que permeti aplicar l'acoblament DEM-FEM en projectes d'enginyeria reals. Una de les aplicacions remarcables dels desenvolupaments en el marc de la tesis ha estat un projecte per l'empresa Weatherford Ltd. que involucra la simulació de tests en provetes de materials cimentosos tipus formigó. Aquesta tesis doctoral s'emmarca en la primera promoció (2012-2013) del programa de Doctorats Industrials de la Generalitat de Catalunya. La proposta de tesi prové de l'acord entre l'empresa CITECHSA i el centre de recerca CIMNE de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).