基于DEM模拟的规则颗粒三维形态参数对堆积孔隙率及空隙分布影响研究

《Powder Technology》：Influence of 3D morphology parameters on packing voidage and void distribution in regular particles via DEM-based modeling

本文通过离散元法（DEM）系统研究三维形态参数（EI、FI、Rd）对规则颗粒堆积性能的定量影响。研究发现伸长指数（EI）和扁平指数（FI）对孔隙率影响显著，当EI/FI<0.6时孔隙率急剧增加；而圆度（Rd）在低于0.4时影响渐显。研究还揭示了形态参数对内部大/小空隙分布的差异化调控机制，并建立了经真实非球形颗粒验证的核回归预测模型，为机制砂混凝土流变性研究提供理论基础。

　　

Highlight

具有规则形态的真实颗粒

为了校准模拟中的微观参数并验证所提出的孔隙率预测模型及相关形态参数的影响规律，我们使用五种规则棕色刚玉颗粒进行了堆积实验和相应的模拟：球形、规则三棱柱、斜三棱柱、短圆柱和长圆柱，即一种球形颗粒和四种非球形颗粒。选择球形颗粒是因为它们...

松装堆积测试

松装堆积测试按照中国国家标准GB/T 14684-2022《建筑用砂》对五种规则颗粒进行。首先，需要测量表观密度ρ_a。将300克干燥颗粒放入500毫升容量瓶中，在水中浸泡24小时，然后使用滴管加水直至达到500毫升刻度线，并记录质量。同时，也记录仅装满500毫升水的该容量瓶的质量...

模拟方案

颗粒形态参数的准确选择和适当配置是方案设计的核心。本节分析了采用圆度R_d、扁平指数FI和伸长指数EI作为关键参数的原因。使用对这些参数应用控制变量法，系统地制定了六种颗粒形态方案。设计的颗粒包括球体、长椭球、扁椭球和叶片状几何体，以及变化的棱角特征...

堆积模型参数的确定

如第3.2.2节所述，线性接触模型的参数需要校准：法向刚度k_n、切向刚度k_s和摩擦系数μ。由于在k_n、k_s与实验室测得的力学参数之间建立清晰的数学关系具有挑战性，这些刚度值通常根据经验设定。参考使用线性接触模型进行堆积研究的先例中的参数设置，其中k_n和k_s为同一数量级...

结论

在本研究中，使用PFC3D模拟了规则颗粒的堆积，在此过程中优化了模型尺寸和最小堆积高度。设计了六个具有不同几何形状的虚拟颗粒组，系统研究了颗粒形状和棱角指数对松装堆积孔隙率和内部空隙分布的影响。随后基于这些分析建立了孔隙率的定量预测模型。该模型的有效性进一步...