Regolit mechanikai viselkedésének diszkrételemes modellezése / Discrete element modelling for regolith behaviour

Nyilvántartási szám: 
20/58
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
bagi.katalin@emk.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
Számos égitest felszínét olyan törmelékréteg (regolit) borítja, amely rendkívül finom, töredezett alakú szilánkokból, kisebb-nagyobb, szintén éles, töredezett alakú kavicsokból és kövekből áll. Légkör és felszíni vizek hiányában eróziót csupán a meteoritbecsapódások okoznak, és így a szemcsék alakja nem csiszolódik le. A regolit viselkedése eltér a földi körülmények között megszokottól: a különleges szemcsealakok, a rendkívül széles szemeloszlás, a konkáv szemcsék egymásba akadása, illetve a kicsiny méretek miatt az atomi szintű hatások (pl. van der Waals erők) jelentős szerepe is megkülönbözteti a földi talajokétól. E törmelékréteg mechanikai viselkedése ezért több szempontból is újszerű a földi körülményekhez szokott mérnökök számára. A regolit megbízható modellezése azonban elengedhetetlen a kutatóállomások mérnöki tervezéshez (pl. rézsűk megengedhető szöge, hajtott kerekek kapaszkodása a talajba, építményekre kifejtett talajnyomás). A javasolt – alapkutatási jellegű – PhD-munka ehhez kíván hozzájárulni.
 
A tervezett PhD kutatás célja annak feltérképezése, hogy néhány fontos jellegzetesség hogyan befolyásolja a regolit viselkedését:
 
1. A szemcsék alakja 
A regolitrétegben lévő szemcsék alakja zegzugos, erősen konkáv, így a földi mérnöki gyakorlatban szokásos alakparaméterek (pl. lemezesség/zömökség; a felület simasága) nem elegendőek a jellemzéshez. A kutatás egyik célja jobb jellemzőket adni, majd hatásukat elemezni, és a javaslatokat diszkrételemes szimulációkkal is alátámasztani. 
 
2. A gravitáció nagysága
A felszíni gravitációs gyorsulás nagysága égitestről égitestre más és más, ami a jelenleg létező vizsgálatok szerint azt okozza, hogy a földi körülmények között végzett regolit-szimulációs laborkísérletek nem modellezik elég jól a felhasználási hely körülményeit. Ezért fontos feladat annak elemzése, hogy a regolit viselkedése milyen módon függ a gravitáció nagyságától. 
 
3. A szemcsék törésének hatása
Amint az emberi beavatkozás megbolygatja a regolitréteget, az addig lényegében érintetlen halmazban a tűszerűen éles sarkokkal rendelkező, zegzugos alakú szemcsék töredezése elkerülhetetlen, és ez – részben a szemcsék alakjának, részben a szemeloszlásnak a megváltozása miatt – a makroszintű viselkedés módosulását eredményezi. E folyamat megértésében nagy segítséget adhatnának a diszkrételemes szimulációs kísérletek, ehhez azonban olyan – lehetőleg minél egyszerűbb – törési modellekre van szükség, amelyek az egyetlen szemcse szintjén jól jósolják, hogyan törik majd a szemcse, majd ez alapján az egész halmaz viselkedését is kellő megbízhatósággal követni tudják. Cél ilyen törési modell(ek) kidolgozása és validálása. 
 
A fenti numerikus vizsgálatok diszkrételemes szoftverrel történnek, a számítógépes modellek valós anyagi viselkedéshez való illesztéséhez pedig a szakirodalomban található mérési eredményeket kívánjuk használni. A kalibráció elvégzése azonban igen munkaigényes része egy szemcsehalmaz modellezésének, és ez jelenleg a diszkrételemes vizsgálatok legnagyobb nehézségét jelenti a gyakorlati alkalmazások szempontjából. A szemcsehalmazok modellezésével foglalkozók közössége régóta igényli e lépés algoritmizálását. Bár néhány kutatóhelyen folyamatban vannak már kezdeti próbálkozások erre, nagy szükség lenne olyan öntanuló algoritmusok kidolgozására, amelyek alacsony számú, előre elvégzett laborkísérlet, majd nagyszámú numerikus szimuláció segítségével megtalálják az(oka)t a paraméter-együttes(eke)t, amely(ek) valamely választott szempontból optimális illeszkedést ad(nak) a valós viselkedéssel. A regolit modellezéséhez kidolgozni kívánt kalibráló algoritmussal szembeni elvárás különlegessége az, hogy az illesztendő paraméterek száma igen alacsony (legfeljebb kb. tucatnyi), miközben az illesztés „jóságának” kiértékelése nagyon hosszadalmas, ezért az algoritmussal szemben elvárás, hogy minél kevesebbszer kelljen a kiértékelést végrehajtani. Emiatt speciálisan célorientált öntanuló algoritmus(oka)t kell kidolgozni a feladatra. 
 
***
 
Regolith, a granular assembly that consists of zigzag-shaped sharply concave particles on scales ranging from very fine powder to pebbles and boulders, covers the surface of several celestial bodies (solid planets, moons, asteroids). In lack of atmosphere and surface fluid flows, the shape of particles remains fragmented and sharp. Due to the special particle shapes, to the very wide size distribution, the clinching of the concave grains and to the relative importance of atomic forces like van der Waals effects, macro-level regolith behaviour strongly differs from what engineers are used to in soil mechanics. However, in order to allow for safe engineering design (e.g. to quantify angle of repose in slopes, resistance between rover wheels and regolith, forces expressed by the regolith on structural members of habitats etc.) reliable mechanical modelling is indispensable. The aim of the proposed PhD research is to contribute to these efforts. The goal is to reconnoitre how the following effects influence the behaviour of regolith:
 
1. Particle shape 
The particles in regolith are zig-zag shaped, sharp and strongly concave, hence the usual shape quantifiers of the engineering practice (e.g. roundness, flatness; surface roughness) are insufficient. Alternative or further descriptors are to be suggested, and analysing how they affect the behaviour, the suggestions should be supported with discrete element simulations.
 
2. Gravity
Gravity on surface level varies from celestial body to celestial body. Hence, according to results in the literature, those laboratory experiments done on Earth on regolith simulants are not always reliable. The effect of the strength of gravity on the macro-level behaviour is to be analysed with DEM simulations. 
 
3. Particle breakage
Concave grains with sharp needle-like corners are particularly exposed to grain breakage, which leads to the modification of particle shapes and size distribution. As a result, the macro-level behaviour changes in comparison to the intact undisturbed regolith. In order to suitable simulate this phenomenon, discrete element modelling requires the – possibly simple but still acceptably realistic – mechanical modelling of particle breakage on the level of individual grains. The aim is to propose such model(s), and validate it (them) with experimentally calibrated discrete element simulations. 
 
All the above tasks are to be done with discrete element models whose material parameters should be calibrated according to the results of real measurements taken from the literature and from international partners. Such a calibration is a very lengthy and troublesome task, and today this is a crucial obstacle against the widespread application of DEM in everyday engineering practice. In a DEM model approximately half a dozen or a dozen material parameters have to be calibrated properly, in such a way that a large number of computer simulations are executed that are to be compared to a low number of real experiments. This is done today manually. Only a few initial attempts exist today to algorithmize this task, though according to private discussions, such attempts are planned in international teams recently. Hence, our aim is to take advantage of the already existing methods in artificial intelligence. The peculiarity of the expected calibration algorithm for regolith modelling is that a relatively low number of parameters should be found, while the evaluation of the fit is computationally very expensive. Hence, special goal-oriented machine learning algorithm(s) should be developed for the task. 
 
A téma meghatározó irodalma: 
1. Benaroya H: Building Habitats on the Moon: Engineering Approaches to Lunar Settlements. Springer Praxis Books, Chicester, 2018
2. Just GH - Smith K - Joy KH - Roy MJ: Parametric review of existing regolith excavation techniques for lunar In Situ Resource Utilisation (ISRU) and recommendations for future excavation experiments. Planetary and Space Science 180, #104746, DOI: 10.1016/j.pss.2019.104746, 2020
3. Landauer J - Kuhn M - Nasato DS - Foerst P - Briesen H: Particle shape matters – Using 3D printed particles to investigate fundamental particle and packing properties. Powder Technology 361, pp. 711-718, 2020
4. Woolf N - Angel R: Pantheon habitat made from regolith, with a focusing solar reflector. Phil. Trans. R. Soc. A. 379, #20200142, DOI: 10.1098/rsta.2020.0142, 2021
5. Cafaro F - Miticocchio E - Marzulli V: Remarks On The Sources Of Error In The Modelling Of Lunar Geotechnical Structures. Studia Geotechnica et Mechanica 40(2), pp. 133–139, DOI: 10.2478/sgem-2018-0012, 2018
6. Zhang Y - Richardson DC - Barnouin OS - Ballouz RL: Rotational Failure of Rubble-pile Bodies: Influences of Shear and Cohesive Strengths. The Astrophysical Journal 857(1), pp. 15-35, DOI: 10.3847/1538-4357/aab5b2, 2018
7. Benaroya H: Lunar habitats: A brief overview of issues and concepts. REACH 7–8, pp. 14-33, DOI: 10.1016/j.reach.2018.08.002, 2017
8. Jiang M - Shen Z - Utili S: DEM modeling of cantilever retaining excavations: implications for lunar constructions. Engineering Computations, 33(2), DOI: 10.1108/EC-06-2014-0140, 2016
9. Jiang M - Shen Zh - Thornton C: Microscopic contact model of lunar regolith for high efficiency discrete element analyses. Computers and Geotechnics 54, pp. 104-116, DOI: 10.1016/j.compgeo.2013.07.006, 2013
10. Stone JV: Artificial Intelligence Engines. Sebtel Press, ISBN: 97809563728192019, 2019
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
1. Journal of Aerospace Engineering 
2. Granular Matter
3. Journal of Terramechanics
4. Mechanics of Materials
5. Computers and Geotechnics
6. Mechanics Research Communications
7. Computers and Structures
8. Engineering Computations
9. Planetary and Space Science
10. Powder Technology
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1. Chen, S. – Bagi, K.: Crosswise tensile resistance of masonry patterns due to contact friction. Royal Society Proceedings A, Vol. 476(2240), #20200439 (23 pages), 2020
2. Forgács, T.- Sarhosis, V. – Bagi, K.: Minimum thickness of semi-circular skewed masonry arches. Engineering Structures, Vol. 140(1), pp. 317–336, 2017
3. Simon, J. – Bagi, K.: DEM analysis of the minimum thickness of oval masonry domes. Int. J. Architectural Heritage, Vol. 10(4), pp. 457-475, 2016
4. Lengyel, G. – Bagi, K.: Numerical analysis of the role of ribs in masonry crossvaults. Computers & Structures, Vol. 158(1), pp. 42-60, 2015
5. Bagi, K.: When Heyman’s Safe Theorem for Rigid Block Systems Fails: Non-Heymanian Collapse Modes of Masonry Structures. Int. J. Solids and Structures, Vol. 51, pp. 2696-2705, 2014
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
1. Tóth, A.R. – Bagi, K.: Analysis of a lunar base structure using the discrete element method. Journal of Aerospace Engineering, Vol. 24 (3), pp. 397-401, 2011
2. Bagi, K.: On the concept of jammed configurations from a structural mechanics perspective. Granular Matter, Vol. 9 (1-2), pp. 109-034, 2007 
3. Bagi, K.: An algorithm to generate random dense arrangements for discrete element simulations of granular assemblies. Granular Matter, Vol. 7 (1), pp. 31-43, 2005
4. Kuhn, M. – Bagi, K.: On the relative motions of two rigid bodies at a compliant contact: application to granular media. Mechanics Research Communications, Vol. 32 (4), pp. 463-480, 2005
5. Bagi, K.: Stress and strain in granular assemblies. Mechanics of Materials, Vol. 22., pp. 165-177, 1996 

A témavezető eddigi doktoranduszai

Chen Shipeng (2018//)
Lengyel Gábor (2013/2016/2018)
Státusz: 
elfogadott