Inverse determination of numerical parameters in discrete element method (DEM) simulation of polymeric waste particles

This research has been conducted in collaboration with GAMMA MECCANICA S.p.A. and EnginSoft S.p.A. The first section, the state of the art, explores the complex behavior of granular materials, elucidating their main characteristics. The chapter then shifts its focus to the angle of repose (the specific angle of deposition of each granular material), which is employed to characterize the different particulates. The study investigates the diverse methodologies used for angle of repose measurements, along with the influencing properties of granular materials that impact the angle of repose. Then, the research navigates through the discrete elements method (DEM) employed to simulate and model granular material behavior. Unveiling the underlying models, equations, and integration methodologies of DEM, with a deep focus on the rolling resistance model (utilized to replicate the shape influence of the real particulates), the research culminates in a detailed analysis of the input parameters that differentiates the behavior of the elements in the simulations. Subsequently, the three experimental practices used to measure the properties of the six particulates provided by GAMMA MECCANICA S.p.A. are described. Employing hydrostatic balance, camsizer P4 measurement system, and the hollow cylinder lift method, the experiments measure respectively density, geometrical characteristics, and the angle of repose for each material. Throughout the chapter procedures and precautions that ensure coherence and replicability of the tests are meticulously explained. The investigation then moves on to the DEM-based virtual reproduction of the hollow cylinder lifting method through the software GranuleWorks by Enginsoft S.p.A. Fine-tuning input parameters aligns the simulation with real-world scenarios, recreating each material's angle of repose. The research concludes by proposing a procedure to standardize input parameter selection based on material properties, taking strides towards efficient and accurate DEM simulations for the study of granular materials.

Questa ricerca è stata condotta in collaborazione con GAMMA MECCANICA S.p.A. e EnginSoft S.p.A. La prima sezione, lo stato dell'arte, esplora il complesso comportamento dei materiali granulari, chiarificandone le caratteristiche fondamentali. Il capitolo si sposta poi sul concetto di "angolo di riposo" (l'angolo specifico di deposizione di ciascun materiale granulare), impiegato per caratterizzare i diversi particolati. Lo studio indaga sulle diverse metodologie utilizzate per misurare l'angolo di riposo, insieme alle proprietà dei materiali granulari che ne influenzano il valore. Successivamente, la ricerca si concentra sul metodo degli elementi discreti (DEM) impiegato per simulare e modellare il comportamento dei materiali granulari. Analizzando i modelli, le equazioni e le metodologie di integrazione DEM, con un approfondimento sul modello di resistenza al rotolamento (utilizzato per replicare l'effetto della forma delle particelle reali), la ricerca culmina in un'analisi dei parametri di input che differenziano il comportamento degli elementi discreti. Nel capitolo seguente vengono descritte tre pratiche sperimentali utilizzate per misurare le proprietà dei sei particolati forniti da GAMMA MECCANICA S.p.A. Utilizzando la bilancia idrostatica, il sistema di misurazione Camsizer P4 e il metodo del sollevamento del cilindro cavo, si ottengono come risultati rispettivamente la densità, le caratteristiche geometriche e l'angolo di riposo per ciascun materiale. Attraverso il capitolo, vengono spiegate dettagliatamente le procedure e le precauzioni che garantiscono coerenza e replicabilità dei test. L'indagine passa quindi alla riproduzione virtuale del metodo di sollevamento del cilindro cavo basato su DEM attraverso il software GranuleWorks di Enginsoft S.p.A. Il perfezionamento dei parametri di input allinea la simulazione con scenari del mondo reale, ricreando l'angolo di riposo di ciascun materiale. La ricerca si conclude proponendo una procedura per standardizzare la selezione dei parametri di input basata sulle proprietà misurate dei materiali, segnando un passo avanti verso simulazioni DEM efficienti ed accurate per lo studio dei materiali granulari.