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Pellets are spherical agglomerated particles used to produce multiparticulate pharmaceutical dosage forms. This study aims to develop a new approach that evaluates the deformation behavior of pellets under compression, by combining tableting data and compression models with X-ray micro computed tomography (XMT) image analysis. The deformation of Microcrystalline cellulose (MCC) and sugar pellets known to have different deformation behavior under compression was investigated. Compression data and modeling confirmed the plastic and brittle behavior for MCC and sugar pellets respectively. Image analysis of the XMT showed a different evolution of the morphometric parameters: structure thickness diameter (St Th) and volume equivalent sphere diameter (ESDv). The brittle sugar pellets showed a decrease in both ESDv and St Th parameters while plastic MCC pellets showed a decrease in ST Th and a constant ESDv which is coherent with ductile and brittle material deformation. This study shows that XMT can be used as a tool to characterize the mechanical behavior of pellet particles during compression

Soft granular materials are assemblies of highly deformable grains interacting via surface forces. The large grain deformations of these materials differ them from hard granular systems, in which, their behaviors are essentially governed by grain rearrangements. In this paper, we study the uniaxial compression of soft granular materials using a numerical approach based on the Material Point Method allowing for large grain deformations, coupled with the Contact Dynamics method for the treatment of unilateral frictional contacts between grains. Considering the neo-Hookean and elasto-plastic grains, the compaction of 2D soft granular packings is analyzed. We focus essentially on the evolution of the packing vertical stress as a function of the packing fraction and the predictive models are proposed.

Soft particle materials such as some pharmaceutical and food products are composed of particles that can undergo large deformations under low confining pressures without rupture. The rheological and textural properties of these materials are thus governed by both particle rearrangements and particle shape changes. For the simulation of soft particle materials, we present a numerical technique based on the material point method, allowing for large elasto-plastic particle deformations. Coupling the latter with the contact dynamics method makes it possible to deal with contact interactions between particles. We investigate the compaction of assemblies of elastic and plastic particles. For plastic deformations, it is observed that the applied stress needed to achieve high packing fraction is lower when plastic hardening is small. Moreover, predictive models, relating stress and packing fraction, are proposed for the compaction of elastic and plastic particles. These models fit well our simulation results. Furthermore, it is found that the evolution of the coordination number follows a power law as a function of the packing fraction beyond jamming point of hard particle packings.

Ce mémoire est une synthèse des travaux de recherche effectués au sein de l’équipe Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD) du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l’Université de Montpellier. Les contributions présentées portent sur des développements théoriques et numériques novateurs pour la modélisation et l’étude de la mécanique des matériaux particulaires. Ces matériaux sont des assemblages désordonnés de particules solides qui jouent un rôle majeur dans de nombreux procédés industriels et interviennent dans de nombreux phénomènes naturels en lien avec l’environnement et le vivant. Les particules qui les constituent peuvent prendre des formes et des tailles variées et peuvent également évoluer sous l’effet d’actions mécaniques ou de transformations chimiques. Depuis le début de ma carrière en tant que Maître de Conférences, je me suis intéressé principalement à deux cas jusqu’ici peu explorés malgré leur fort intérêt applicatif : (i) les matériaux à particules molles en grandes déformations, et (ii) les matériaux granulaires en milieu humide. Pour modéliser les particules molles, différentes stratégies numériques ont été développées permettant de prendre en compte à la fois leur déformation et leurs interactions de contact frottant. La présence de l’humidité a été simulée en considérant des interactions cohésives et visqueuses entre les particules. Ces approches numériques ont été appliquées à l’étude des propriétés rhéologiques et microstructurales des matériaux granulaires humides ou à particules déformables.

Changes in the mechanical properties of granular materials, induced by variations in the intrinsic compressibility of the particles, are investigated by means of numerical simulations based on the combination of the Finite Element and Contact Dynamics methods. Assemblies of athermal 2D particles are subjected to quasi-static uni-axial compactions up to packing fractions close to 1. We show that the effect of the compressibility of the particles both on the global and the local stresses, can be described by considering only the packing fraction of the system. This result, demonstrated in the whole range of accessible packing fractions in case of frictionless particles, remains relevant for moderate inter-particles coefficients of friction. The small discrepancies observed with frictional particles originate from irreversible local reorganizations in the system, the later being facilitated by the compressibility of the particles.