Jamming und Konvektion in Granulaten

Abstract

Beim Jamming-Übergang verändern sich die mechanischen Eigenschaften eines Granulats drastisch, wenn die Partikeldichte des Systems zunimmt: Loses Granulat verhält sich wie eine Flüssigkeit oder ein Gas und leistet nur geringen Widerstand unter externer Belastung. Im Jamming-Zustand bleiben die relativen Partikelpositionen jedoch im Wesentlichen unverändert, und das Granulat ist stabil gegenüber äußerer Einwirkung. Technische Anwendungen des Jamming-Übergangs sind insbesondere im Bereich Soft-Robotics zu finden (z. B. der granulare Robotergreifer, granulare Pfoten oder granulare Metamaterialien). Meist bestehen sie aus einem Granulat, das von einer Membran umhüllt ist. Der Jamming-Übergang wird dann erreicht, indem das Granulat aufgrund eines Unter-drucks komprimiert wird. Diese Arbeit stellt eine Methode zur Simulation solcher Anwendungen vor. Die Methode ermöglicht es, in Diskrete-Elemente-Simulationen neben dem Granulat auch Membranen zu simulieren. Für den granularen Robotergreifer wird anhand von Simulationen gezeigt, dass mit Granulaten aus weichen Partikeln hohe Haltekräfte erzeugt werden, während mit Granulaten aus harten Partikeln nur geringe Haltekräfte aufgebracht werden können. Zusätzlich wird das Deformationsverhalten eines granularen Metamaterials im Jamming-Zustand untersucht und charakterisiert. Es wird u. a. gezeigt, dass bei großen Deformationen des Materials das Kontaktnetzwerk neu gebildet wird, sich die Granulatpartikel jedoch kaum reorganisieren. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von Granulaten in vibrierten Zylindern unter Bedingungen der Schwerelosigkeit. Durch die Vibration kommt es neben einem periodischen Jamming-Übergang auch zu Konvektion, die erwartungsgemäß immer eine Symmetrieachse senkrecht zur Vibrationsrichtung aufweist. Es wird gezeigt, dass diese Symmetrie bei bestimmten Vibrationsparametern oder einer Neigung des Zylinders entgegen der Vibrationsrichtung gebrochen ist, und auf die Ursache dieser Symmetriebrechung eingegangen.