Granüler malzemelerde tanecik şeklinin sıkışabilirlik üzerindeki etkisinin ayrık elemanlar yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Granüler malzemelerin mekanik davranışı, tanecikler arası etkileşimlere dayanmaktadır. Tanecik şekli, tanecik boyutu ve boyut dağılımı, taneciklerin dizilimi gibi mikro yapısal özellikler tanecikler arası etkileşim üzerinde etkilidir. Bu özellikler granüler malzemelerin makro ve mikro boyutta mühendislik özellikleri üzerinde doğrudan belirleyici rol oynar. Mevcut literatürde tanecik şeklinin makro ve mikro davranışa etkisi birçok çalışmaya konu olsa da farklı şekil özelliklerinin granüler malzeme rijitliği ve koordinasyon sayısı üzerindeki etkilerini doğrudan araştıran sayısal çalışmalar sınırlıdır. Bu tez çalışmasında tanecik şeklinin granüler malzemelerin sıkışabilirlik davranışı üzerindeki etkisi Ayrık Elemanlar Yöntemi (DEM) ile çok ölçekli olarak incelenmiştir. Çalışmanın amacı, farklı morfolojik özelliklere sahip taneciklerin farklı yükleme seviyeleri altındaki elastik modül ve koordinasyon sayısı üzerindeki etkisini belirlemek ve şekil parametreleri arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktır. Bu kapsamda her biri farklı şekil faktörü ve köşelilik faktörü değerlerine sahip yirmi adet tanecik modeli oluşturulmuştur. Her bir tanecik için DEM ile sınırlı sıkışma deneyleri gerçekleştirilmiş, farklı yükler altındaki elastik modül ve koordinasyon sayısı değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen bu veriler çoklu doğrusal regresyon modellerinde kullanılmış, şekil parametreleri ve bu iki mühendislik özelliği arasındaki ilişki istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. İstatistiksel analiz sonuçları hem şekil hem de köşelilik faktörünün elastik modül için güçlü açıklayıcılığa sahip olduğunu göstermektedir. Koordinasyon sayısı açısından ise şekil faktörünün köşelilik faktörüne göre daha yüksek açıklayıcılığa sahip olduğu gözlenmiştir. Bu bulgular şekil parametrelerinin granüler malzemelerin mühendislik özellikleri üzerindeki etkisinin DEM modelleri ve istatistiksel yöntemlerle açıklanabileceğini ortaya koymaktadır.

The mechanical behavior of granular materials is governed by interparticle interactions, which are influenced by microstructural properties such as particle shape, size, distribution, and arrangement. These factors significantly affect both macro- and micro-scale engineering responses. Although numerous studies have investigated the role of particle shape, numerical studies directly linking specific shape characteristics to compressibility and coordination number remain limited.This thesis examines the effect of particle shape on the compressibility behavior of granular materials using the Discrete Element Method (DEM). The objective is to assess how different morphological properties influence the elastic modulus and coordination number and to evaluate the relationships between shape parameters.Twenty particle models with varying shape factor and angularity factor values were developed. Confined compression simulations were conducted in DEM, and the resulting elastic modulus and coordination number values were obtained.These values were analyzed using multiple linear regression to quantify the statistical relationship between shape parameters and mechanical properties.The results show that both shape factor and angularity factor significantly affect the elastic modulus. For coordination number, shape factor was found to be more influential than angularity factor. Overall, the study confirms that DEM simulations combined with statistical modeling provide an effective framework for understanding how particle shape influences the mechanical behavior of granular materials.