Advances in the development of the discrete element method for excavation processes
Authors:   , Labra C. A. (Carlos Andrés) 
Published: October 2023

Modelling of granular materials, soils and rocks has been a challenging topic of investigation for decades. Classical continuum mechanics has been used to idealize soils and rocks, and numerical solution techniques such as finite element method (FEM) has been used to model these materials. Considering the idealization of the material, continuum mechanics allows the analysis of phenomena with discontinuous nature such as fracture in rock or soil via damage models. However, in more complex processes like rock milling or crushing, this kind of models are usually not suitable. Discrete models are more appropriate for problems with multiple discontinuities and particulate materials.
The discrete element method (DEM) has been gaining popularity in analysis of granular materials, soils and rocks. Many aspects of this method still require more profound investigation.
This thesis presents new developments of the discrete element method improving effi ciency and accuracy of modelling of rock-like materials, especially in excavation processes. All the numerical algorithms has been implemented in an in-house software, which was then used to run numerical examples.
The basic formulation of DEM with linear elastic-perfectly brittle contact model is presented. The main di erence with other models found in the literature is the consideration of global sti ness and strength parameters that are constants in the whole model.
The result of a simulations is strongly related with the con guration of the particle assembly used. Particle assemblies should be su ciently compact and ensure the isotropy to reproduce the physical properties of the modelled material. This thesis presents a novel technique for the generation of highly dense particle assemblies in arbitrary geometries, satisfying all the requirements for accurate discrete element simulations.
One of the key issues in the use of the DEM is the estimation of the contact model parameters. A methodology is proposed for the estimation of the contact model parameters yielding required macroscopic properties of the material. The relationships between the contact model parameters and the mechanical properties of brittle materials, as well as the influence of the particles assembly con guration on the macroscopic properties, are analysed.
A major di culty in the application of the DEM to real engineering problems is the high computational cost in simulation involving a large number of particles. The most common way to solve this is the use of parallel computing techniques, where multiple processors are used. As an alternative, a coupling scheme between DEM and the finite element method (FEM) is proposed in the thesis. Within the hybrid DEM/FEM model, DEM is only used in the region of the domain where it provides an advantage over a continuum-based approach, as the FEM. The coupling is dynamically adapted, starting with the whole domain discretized with FEM. During the simulation, in the regions where a high stress level are found, a change of modelling method from continuum FEM to the discrete DEM is employed.
Finally, all the developments are applied to the simulation of a real excavation process. An analysis of the rock cutting process with TBM disc cutters is performed, where DEM and the DEM/FEM coupling technique presents an important advantage over other simulation techniques.
La modelación de materiales granulares, terrenos y rocas ha sido un desafío para la investigación por décadas. La mecánica del continuo clásica ha sido utilizada para idealizar terrenos y rocas, y técnicas numéricas de solución, como el método de los elementos finitos (FEM), han sido usadas para modelar estos materiales. Considerando la idealización del material, la mecánica del continuo permite el análisis de fenómenos de naturaleza discontinua como la fractura en rocas y terreno mediante modelos de daño. Sin embargo, en procesos mas complejos como la molienda o trituración de roca, este tipo de modelos no suelen ser adecuados. Los modelos discretos son mas apropiados para problemas con múltiples discontinuidades y material particulado. El método de los elementos discretos (DEM) ha ido ganando popularidad en el análisis de materiales granulares, terrenos y rocas. Sin embargo, muchos aspectos de este método todavía requieren una investigación mas profunda.
Esta tesis presenta nuevos desarrollos del método de los elementos discretos para mejorar su eficiencia y precisión en el modelado de materiales como roca, especialmente para procesos de excavación. Todos los algoritmos numéricos se han implementado en el programa propio, que ha sido utilizado para probar distintos ejemplos. La formulación básica del DEM, con un modelo lineal de contacto elástico perfectamente frágil ha sido utilizado en el presente trabajo. La principal diferencia
con otros modelos de la literatura es la consideración de que los parámetros de rigidez y fuerzas máximas son valores globales y constantes en todo el modelo.
El resultado de la simulación está fuertemente relacionado con la configuración del ensamblaje de partículas utilizado. El ensamblaje de partículas debe ser suficientemente compacto y asegurar la isotropía de las propiedades físicas del material modelado.
La tesis presenta una nueva técnica para la generación de ensamblajes de partículas de alta densidad para geometrías arbitrarias, satisfaciendo todos los requisitos para una simulación con elementos discretos correcta.
Uno de los temas clave en el uso del DEM es la estimación de los parámetros del modelo de contacto. Se propone una metodología para la estimación de los parámetros del modelo de contacto siguiendo las propiedades macroscópicas requeridas en el material

Las relaciones entre los parámetros del modelo y las propiedades mecánicas de materiales frágiles, así como su la influencia de la configuración del ensamblaje de partículas son analizadas.
Una gran dificultad en la aplicación del DEM en problemas reales de ingeniería es el alto costo computacional de simulaciones que consideran un gran número de partículas. La solución mas común para resolver esto es el uso de técnicas de computación paralela, donde se utiliza un gran número de procesadores. Como vía alternativa, un esquema acoplado entre el DEM y el FEM expuesto en la tesis. Con el modelo híbrido DEM/FEM, el DEM es usado solo en las partes del dominio donde presenta ventajas sobre el enfoque continuo del FEM. El acoplamiento puede ser adaptado dinámicamente, comenzando con todo el dominio discretizado con FEM, y durante la simulación, en las regiones donde se encuentran altos niveles de tensión, se emplea un cambio del método de simulación de continuo (FEM) a discreto (DEM).
Finalmente, todos los desarrollos son aplicados a la simulación de un proceso excavación real. Se realiza un estudio del proceso de corte de roca con discos costadores, utilizados en tuneladoras, donde el DEM y la técnica de acoplamiento presentan una importante ventaja sobre otras técnicas de simulación.