The present paper presents multiscale modelling via coupling of the discrete and finite element methods. Theoretical formulation of the discrete element method using spherical or cylindrical particles has been briefly reviewed. Basic equations of the finite element method using the explicit time integration have been given. The micr-macro transition for the discrete element method has been discussed. Theoretical formulations for macroscopic stress and strain tensors have been given. Determination of macroscopic constitutive properties using dimensionless micro-macro relationships has been proposed. The formulation of the multiscale DEM/FEM model employing the DEM and FEM in different subdomains of the same body has been presented. The coupling allows the use of partially overlapping DEM and FEM subdomains. The overlap zone in the two coupling algorithms is introduced in order to provide a smooth transition from one discretization method to the other. Coupling between the DEM and FEM subdomains is provided by additional kinematic constraints imposed by means of either the Lagrange multipliers or penalty function method. The coupled DEM/FEM formulation has been implemented in the authors' own numerical program. Good performance of the numerical algorithms has been demonstrated in a number of examples.
Nowadays, railway system plays a significant role in transportation, conveying cargo, passengers, minerals, grains, and so forth. Railway ballasted track is a conventional railway track as can be seen all over the world. Ballast, located underneath the sleepers, is the most important elements on ballasted track, which has many functions and requires routine maintenance. Ballast needs to be maintained frequently to prevent rail buckling, settlement, misalignment so that ballast has to be modelled accurately. Continuum model was introduced to model granular material and was extended in ballast. However, ballast is a heterogeneous material with highly nonlinear behaviour. Hence, ballast could not be modelled accurately in continuum model due to the discontinuities nature and material degradation of ballast. Discrete element modelling (DEM) is proposed as an alternative approach that provides insight into constitutive model, realistic particle, and contact algorithm between each particle. DEM has been studied in many recent decades. However, there are limitations due to the high computational time and memory consumption, which cause the lack of using in high range. This paper presents a review of recent ballast modelling with benefits and drawbacks. Ballast particles are illustrated either circular, circular crump, spherical, spherical crump, super-quadric, polygonal and polyhedral. Moreover, the gaps and limitations of previous studies are also summarized. The outcome of this study will help the understanding into different ballast modelling and particle. The insight information can be used to improve ballast modelling and monitoring for condition-based track maintenance.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.187-188
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2006
In contrast with the Finite Element Method, the Discrete Element Method (DEM) takes explicitly into account the particulate nature of powders. DEM exhibits some drawbacks and many advantages. Simulations can be computationally expensive and they are only able to represent a volume element. However, these simulations have the great advantage of providing a wealth of information at the microstructural level. Here we demonstrate that the method is well suited for modelling, in coordination with FEM, the compaction of ceramic $UO_2$ particles that have been aggregated. Aggregates of individual ceramic crystallites that are strongly bonded together are represented by porous spheres.
Masonry is not a simple material, the influence of mortar joints as a plane of weakness is a significant feature and this makes the numerical modelling of masonry very difficult especially when dynamic (seismic) analysis is involved. In order to develop a simple numerical model for masonry under earthquake load, an analytical model based on Distinct Element Method (DEM) is being developed. At the first stage, the model is applied to simulate the in-plane shear behaviour of an unreinforced masonry wall with and without opening where the testing results are available for comparison. In DEM, a solid is represented as an assembly of discrete blocks. Joints are modelled as interface between distinct bodies. It is a dynamic process and specially designed to model the behaviour of discontinuities. The numerical solutions obtained from the distinct element analysis are validated by comparing the results with those obtained from existing experiments and finite element modelling.
The mechanical behavior of soil and soil-rock mixture is investigated via the discrete element method. A non-overlapping combination method of spheres is used to model convex polyhedron rock blocks of soil-rock mixture in the DEM simulations. The meso-mechanical parameters of soil and soil-rock interface in DEM simulations are obtained from the in-situ tests. Based on the Voronoi cell, a method representing volumtric strain of the sample at the particle scale is proposed. The numerical results indicate that the particle rotation, occlusion, dilatation and self-organizing force chains are a remarkable phenomena of the localization band for the soil and soil-rock mixture samples. The localization band in a soil-rock mixture is wider than that in the soil sample. The current research shows that the 3D discrete element method can effectively simulate the mechanical behavior of soil and soil-rock mixture.
Geogrid application that has proved to be an effective and economic method of reinforcing particles, is widely used in geotechnical engineering. The discrete element method (DEM) has been used to investigate the micro mechanics of the geogrid deformation and also the interlocking mechanism that cannot be easily studies in laboratory tests. Two types of realistically shaped geogrid models with square and triangle apertures were developed using parallel bonds in PFC3D. The calibration test simulations have demonstrated that the precisely shaped triangular geogrid model is also able to reproduce the deformation and strength characteristics of geogrids. Moreover, the square and triangular geogrid models were also used in DEM pull-out test simulations with idealized shape particle models for validation. The simulation results have been shown to provide good predictions of pullout force as a function of displacement especially for the initial 30 mm displacement. For the granular material of size 40 mm, both the experimental and DEM results demonstrate that the triangular geogrid of size 75 mm outperforms the square geogrid of size 65 mm. Besides, the simulations have given valuable insight into the interaction between particle and geogrid and also revealed similar deformation behavior of geogrids during pullout. Therefore, the DEM provides a tool which enable to model other possible prototype geogrid and investigate their performance before manufacture.
Bio-grouting based on microbial-induced calcite precipitation (MICP) is recently emerging as a novel and environmentally friendly technique for improvement of coarse-grained ground. To date, the mechanical behaviour of bio-grouted coarse-grained soil with different calcite contents and grain sizes still remains poorly understood. The primary objective of this study is to investigate the influence of calcite content on the mechanical properties of bio-grouted coarse-grained soil with different grain sizes. This is achieved through an integrated study of uniaxial loading experiments of bio-grouted coarse-grained soil, 3D digitization of the grains in conjunction with discrete element modelling (DEM). In the DEM model, aggregates were represented by clump logic based on the 3D morphology digitization of the typical coarse-grained aggregates while the CaCO3 was represented by small-sized bonded particle model. The computed stress-strain relations and failure patterns of the bio-grouted coarse-grained soil were validated against the measured results. Both experimental and numerical investigation suggest that aggregate sizes and calcite content significantly influence the mechanical behaviour of bio-cemented aggregates. The strength of the bio-grouted coarse-grained soil increases linearly with calcite content, but decreases non-linearly with the increasing particle size for all calcite contents. The experimental-based DEM approach developed in this study also offers an optional avenue for the exploring of micro-mechanisms contributing to the mechanical response of bio-grouted coarse-grained soils.
Analogue physical modelling using granular materials (i.e., sandbox experiments) has been applied with great success to a number of geological problems at various scales. Such physical experiments can also be simulated numerically with the Discrete Element Method (DEM). In this study, we apply the DEM simulation to the collision between the Indian subcontinent and the Eurasian Plate, one of the most significant current tectonic processes in the Earth. DEM simulation has been applied to various kinds of dynamic modelling, not only in structural geology but also in soil mechanics, rock mechanics, and the like. As the target of the investigation is assumed to be an assembly of many tiny particles, DEM simulation makes it possible to treat an object with large and discontinuous deformations. However, in DEM simulations, we often encounter difficulties when we examine the validity of the input parameters, since little is known about the relationship between the input parameters for each particle and the properties of the whole assembly. Therefore, in our previous studies (Yamada et al.,2002a,2002b,2002c), we were obliged to tune the input parameters by trial and error. To overcome these difficulties, we introduce a numerical biaxial test with the DEM simulation. Using the results of this numerical test, we examine the validity of the input parameters used in the collision model. The resulting collision model is quite similar to the real deformation observed in eastern Asia, and compares well with GPS data and in-situ stress data in eastern Asia.
On the premise of ensuring that the automatic and quantitative discharging function of concrete conveyors is met, the accuracy of the weight forecast by the mathematical model of the screw conveying volume is improved, and the error of the weight of the concrete parts and the accumulation thickness is reduced. In this paper, the discrete element method (DEM) is used to simulate the macroscopic flow of concrete. Using the concrete discrete element model, the size of the screw conveyor is set, and establish the response model between the influencing factors (process and structure) and the concrete mass flow rate according to the design points of the screw discharging experiment. The nonlinear data fitting method is used to obtain the volumetric efficiency function under the influence of process and structural factors, and the traditional screw conveying volume model is improved. The mass flow rate of concrete predicted by the improved mathematical model of screw conveying volume is consistent with the test results. The model can accurately describe the conveying process of concrete and achieve the purpose of improving the accuracy of forecasting the weight of discharged concrete.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.1029-1044
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2017
The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering, pharmacy, material science, food engineering, etc. In this study, to review a performance of the spoke-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine), the commercial software based on the DEM technology was used. An analysis of the TBM during excavation was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speed of a cutterhead. During the analysis, the resistant torque at the face of the cutterhead, the compressive force at the cutterhead and shield surface, the muck discharge at the screw auger were measured and compared. Upon the two kinds of excavation conditions, the applicability of the DEM analysis was reviewed as a modelling method for the TBM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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