Minimiser les consommations d'énergie des procédés de broyage/concassage Développement d'un outil de calcul de forces pour le concassage/broyage de matériaux

Enjeux et objectifs

La transition écologique vis à modifier en profondeur nos mode de production et de consommation des ressources naturelles. Les infrastructures routières et ferroviaires constituées pour plus de 80% de leur volume de granulats principalement naturels, parfois recyclés, sont très consommatrices de ressources minérales et d'énergie. De ce fait, améliorer l'efficience et la résilience de ces infrastructures tout en réduisant leur empreinte écologique, dépend fortement de notre capacité à maîtriser à la fois l'énergie des procédés de production de granulats et les propriétés que ces procédés confèrent aux granulats.

La simulation numérique discrète (DEM) qui résout les équations de Newton pour chaque particule d'un milieu granulaire, est aujourd'hui très utilisée pour mieux comprendre les phénomènes propres aux milieux granulaires, que les granulats soient naturels (éboulements rocheux, avalanches...) ou qu'ils découlent des activités humaines (procédés de concassage, ségrégation/tri, tassement d'une voie ballastée...).

Le laboratoire GPEM dispose d'un code DEM maison capable de simuler le comportement mécanique d'assemblage de sphères sous différentes sollicitations. Cependant, très peu d'outils sont aujourd'hui capables de simuler le comportement mécanique d'assemblage de particules non sphériques, comme les sont les sols, roches et matériaux granulaires du génie civil. Ainsi le code maison doit être adapté et développé afin de répondre plus précisément aux besoins des simulations numériques discrètes propres à ces matériaux.

Une finalité importante de ces développements est de permettre la simulation numérique des procédés de concassage des granulats naturels ou issus de matériaux recyclés. La validation de l'outil numérique sera réalisée notamment en simulant la fragmentation de particules sous l’effet de multiples contacts et en comparant les résultats obtenus avec ceux du progiciel LMGC90. La simulation numérique discrète donnant accès aux forces, vitesses et déplacement des particules, l’énergie mécanique consommée par le concassage sera quantifiée.

Contacts: Yannick Descantes, Patrick Richard

 

Stage de Ali Haidar (2019) Calcul de forces d’interaction entre polyèdres convexes

La simulation numérique discrète (DEM) est très utilisée pour étudier le comportement des milieux granulaires. Cependant, les sols, roches et autres milieux granulaires du génie civil sont constitués de particules non sphériques et peu d'outils sont capables de les représenter correctement, ce qui limite la pertinence des simulations.

La présente étude vise à programmer et valider un algorithme de calcul des forces de cohésion et de contact entre polyèdres convexes, tenant compte des caractéristiques mécaniques de l’interaction et des caractéristiques géométriques du contact.

Trois familles de routines ont été programmées : une première famille met en œuvre la loi de cohésion développée par Neveu et al. (2016) et calcule les forces visco-élastiques cohésives fragiles entre polyèdres convexes à tout instant ; une seconde famille détermine le type de contact (ponctuel, linéique, ou surfacique) entre polyèdres convexes et calcule les forces visco-plastiques de contact frottant correspondantes à tout instant t ; Enfin, une troisième famille de routines permet de générer à l’instant initial un assemblage dense désordonné de polyèdres convexes.

A l’issue de cette étude, différentes perspectives sont envisagées, en particulier l'intégration des routines précédentes dans un code DEM maison permettant de simuler le comportement mécanique d’assemblages de sphères ainsi que leur optimisation et leur parallélisation pour minimiser la durée des simulations numériques.