Jamming und Konvektion in Granulaten

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. Granular media changes its properties drastically when the particle density is increased and the granulate undergoes the jamming transition: A loose granulate can behave fluid-like or gaseous and does not provide resistance to external stress. In the jammed state, however, the relative particle positions are essentially persistent, and the granulate is stable against externally applied stress. Technical applications of the jamming transition can be found particularly in the field of soft robotics (e.g. the granular robot gripper, granular paws or granular metamaterials). They usually consist of a granulate encased in a membrane. The jamming transition is then achieved by applying a negative pressure and thereby compressing the granulate. This work presents a method for simulating such applications. The method enables the simulation of membranes together with granulates in discrete element simulations. For the granular gripper, the simulations are used to demonstrate that high holding forces are generated with granulates composed of soft particles, while low holding forces are achieved with granulates of hard particles. Additionally, the deformation behaviour of a jammed granular metamaterial is investigated and characterized. It is shown that during large deformations of the material, the contact network is re-formed, although the granular particles themselves hardly reorganize. Another focus of this work is the investigation of granular media in vibrated cylinders under zero-gravity conditions. Besides a periodic jamming transition, the vibration induces convection which, as expected, always has an axis of symmetry perpendicular to the direction of vibration. It is shown that this symmetry is broken when using certain vibration parameters or when the cylinder is inclined against the direction of vibration.