基于DEM的单散和多散非凸粒子随机包装的微结构特征

科学领域:

• 材料科学与工程 材料科学与工程
• 计算物理 计算物理
• 颗粒力学 颗粒力学

背景情况:

• 了解颗粒材料对于各种应用至关重要,从混凝土到生物系统.
• 之前的研究集中在凸粒子上,尽管它们在现实世界中具有相关性,但不凸粒子包装仍未得到充分研究.
• 粒子包装的微观结构的特征是预测散装性质的关键.

研究的目的:

• 开发和分析非凸硬颗粒的随机包装模型.
• 研究粒子形态和尺寸分布对包装特性的影响.
• 为设计有量身定制的微观结构的颗粒媒体提供指导.

主要方法:

• 设计了一个参数化的方法,以创建可控制的形状参数的3D非凸粒子形态.
• 建立了使用单元和多分散非凸粒子离散元素建模的随机包装模型.
• 使用了微结构指标,包括随机密封分数 (fd),平均协调数 (Z),辐射分布函数 (g) 和孔径大小分布 (F) 进行表征.

主要成果:

• 粒子形状和大小分布显著影响协调号 (Z) 和包装分数 (fd).
• 随机分布的收缩中心比均分布的收缩中心产生更高的fd,单分散球体的fd接近0.632.
• 按照富勒分布 (q=2.5) 的非凸粒子达到最高的fd (≈0.761);粒子形状对统计描述符的影响最小,但对包装分数和尺寸分布敏感.

结论:

• 该研究成功地模拟了非凸粒子包装,揭示了影响其微观结构和密度的关键因素.
• 收缩中心的随机分布和特定尺寸分布 (富勒,q=2.5) 是最大化包装密度的最佳选择.
• 通过控制颗粒形状和大小,这些发现为定制设计颗粒材料提供了宝贵的见解.