颗粒堆积结构对超椭球体系统在单轴压缩过程中的动态性能的影响

《Powder Technology》：The effect of particle packing structure on the dynamic properties of super-ellipsoid systems during uniaxial compression

超椭圆颗粒系统单轴压缩下的动态特性与弹性模量各向异性研究。基于离散元法模拟两种不同堆积结构的超椭圆系统，提出不可约超张量表征方法量化颗粒排列演化。发现不同堆积结构显著影响系统弹性模量，同结构系统模量随压缩进程降低，且压缩/剪切波速变化验证模量演化规律。该表征方法适用于任意维超张量基分解，兼具工程应用与理论价值。

　　本文探讨了在单轴压缩过程中，不同排列结构的超椭球体系统动态特性研究，特别是其对宏观-微观机械关系的影响。通过离散元方法（DEM）进行模拟，研究者们能够深入分析颗粒材料在压缩过程中的行为变化，从而揭示其内部结构与力学性能之间的关联。研究重点在于非球形颗粒的结构特征，以及这些特征如何影响系统的弹性模量。通过对压缩过程中弹性波的传播速度进行计算，研究者们进一步验证了弹性模量的变化趋势，这种方法不仅提供了理论上的支持，还具有重要的工程应用价值。

颗粒材料作为典型的非平衡复杂系统，在软凝聚态物理和工程力学领域具有重要的研究意义。它们的机械行为受到多尺度调控，因此在许多关键的工程应用中，如深空探测、绿色能源技术、地质工程等，对颗粒材料的深入理解是必不可少的。例如，在月球土壤模拟材料的研究中，最新的磁增强CUMT-1材料能够通过GMMT方法模拟低重力下的地力学特性，从而为月球原位资源利用（ISRU）技术的地面验证提供了条件。在NASA的阿尔忒弥斯计划中，月球土壤颗粒的离散特性直接影响着着陆器的稳定性。这一挑战促使了新一代离散-连续耦合模型的发展，如基于非局部塑性理论的Cosserat介质扩展方法。

在绿色能源领域，优化固态电池粉末电极的循环性能需要理解颗粒之间的接触力链在压缩过程中的动态重构。这些电极的性能受到接触力链的演变以及化学-机械耦合效应的显著影响，因此研究颗粒材料在极端条件下的复杂机械行为对于性能优化至关重要。此外，在电极充放电过程中，化学-机械耦合可能引发颗粒断裂，从而导致容量下降。这些多物理场耦合的应用进一步强调了研究颗粒材料在极端条件下的动态响应的紧迫性。

在这样的背景下，单轴压缩测试已成为研究颗粒系统宏观-微观机械关系的关键方法。近年来，将原位微CT成像与数字体积相关（DVC）技术相结合，使得研究人员能够实时追踪压缩和破碎过程中颗粒的中尺度演变过程，如颗粒重排和接触断裂。这种技术进步不仅提高了实验的精度，也为研究颗粒材料的复杂行为提供了新的手段。

除了对颗粒形状对力学性能的影响研究，颗粒的排列结构（如随机密堆与定向排列）在压缩过程中对力分布模式的形成也起着至关重要的作用。研究表明，排列结构的有序性显著影响力分布，通常情况下，有序排列结构会导致更不均匀的力分布，而随机排列结构则相对均匀。例如，十字形颗粒的二维排列行为受到形状参数的显著影响，随机排列的颗粒最大堆积分数远低于最优晶体结构。此外，在准静态各向同性压缩过程中，由机械异质颗粒组成的有序颗粒系统会自发地形成不均匀的颗粒间力分布。有趣的是，六边形排列表现出比方形排列更明显的非局部效应。这一观察为通过机械异质性控制颗粒材料的接触力分布提供了新的研究方向。

颗粒排列结构的研究主要集中在比较随机和有序排列结构下的力特性变化。相比之下，对不同无序排列结构下颗粒系统的力学性能研究较少。描述任意颗粒排列的随机结构相对复杂，通常采用球坐标系中的Wigner D矩阵或笛卡尔坐标系中的超张量基进行表达。每种方法都有其优缺点。使用Wigner D矩阵的优势在于其所需的展开系数较少，但其对排列结构的几何解释不如超张量基直接。虽然超张量基提供了更直观的颗粒排列结构表示，但其表达更为复杂，理论推导也更具挑战性，尤其是在阶数大于2的情况下，相关研究较少。

鉴于超张量基的展开系数能够清晰地描述颗粒的排列结构，本文首先提出了一个理论框架，用于使用超张量基来表示任意颗粒排列结构。随后，利用DEM模拟了不同排列结构下超椭球体颗粒系统在单轴压缩过程中的排列结构和弹性模量的变化。通过两种不同的制备方法获得具有不同排列结构的超椭球体系统，并分析了排列结构对系统弹性模量的影响。弹性模量被分解为各向异性成分，并进一步分析了剪切诱导各向异性对模量的影响。此外，通过时间飞行（TOF）方法计算了压缩和剪切波在压缩过程中的传播速度，从而验证了弹性模量的变化趋势。本文提出的超张量表示理论具有普遍性，并且可以轻松扩展到更高维度，用于描述角度依赖的物理量。除了工程应用价值，该理论还具有重要的理论意义。

在压缩过程中，颗粒系统的排列结构和弹性模量的变化是相互关联的。本文通过DEM模拟了不同排列结构下超椭球体颗粒系统在单轴压缩过程中的动态行为，并对系统的弹性模量进行了分析。通过计算和比较压缩过程中弹性波的传播速度，研究者们进一步验证了弹性模量的变化趋势。这些结果表明，不同排列结构对系统的弹性模量具有显著影响，而在相同排列结构下，随着压缩的进行，体积分数、配位数和弹性模量均呈现下降趋势。

在研究中，超椭球体的形状由特定的方程定义，该方程能够描述颗粒的几何特性，包括其凹凸性以及各轴的比例。通过调整形状参数，可以模拟出不同类型的颗粒，如椭球体或更复杂的超椭球体。这些参数的变化不仅影响颗粒的形态，还对系统的整体力学行为产生深远影响。因此，研究颗粒形状与排列结构的相互作用对于理解颗粒材料在压缩过程中的响应至关重要。

此外，研究还发现，颗粒系统的排列结构对其弹性模量的各向异性特征具有显著影响。通过分析不同排列结构下弹性模量的分布情况，研究者们能够更准确地描述其各向异性特性。这种分析方法不仅适用于当前研究的颗粒系统，还可以推广到其他类型的颗粒材料，为研究其在不同条件下的力学行为提供了新的视角。

本文的研究结果表明，颗粒系统的排列结构和形状参数在压缩过程中对弹性模量的演化具有重要影响。通过将弹性模量分解为各向异性成分，并结合弹性波的传播速度分析，研究者们能够更全面地理解颗粒材料的动态特性。这些发现不仅有助于优化颗粒材料在工程应用中的性能，还为相关理论研究提供了新的依据。

在实际应用中，颗粒材料的排列结构和形状参数对于其机械性能的预测和控制具有重要意义。例如，在地质工程中，岩石颗粒的排列结构直接影响其承载能力和变形特性。在绿色能源领域，电池电极材料的排列结构对电荷传输效率和循环稳定性具有关键影响。在深空探测任务中，月球土壤颗粒的排列结构对着陆器的稳定性具有决定性作用。因此，理解颗粒材料在不同条件下的动态响应对于相关工程领域的应用具有重要的指导意义。

本文的研究方法为颗粒材料的动态特性分析提供了一种新的理论框架。通过使用超张量基对颗粒排列结构进行定量描述，并结合DEM模拟技术，研究者们能够深入分析颗粒系统在压缩过程中的行为变化。这种方法不仅适用于当前研究的超椭球体颗粒系统，还可以推广到其他类型的颗粒材料，为研究其在不同条件下的力学行为提供了新的手段。

研究还发现，通过改变颗粒的形状和排列结构，可以显著影响系统的弹性模量。例如，在相同体积分数下，不同形状的颗粒会导致不同的弹性模量值，而不同排列结构的颗粒则会进一步改变弹性模量的分布情况。这种变化趋势表明，颗粒材料的弹性模量不仅受到体积分数的影响，还受到颗粒形状和排列结构的共同作用。

此外，本文还探讨了弹性模量的各向异性特征。通过分析不同排列结构下弹性模量的变化情况，研究者们能够更准确地描述其各向异性特性。这种分析方法不仅适用于当前研究的颗粒系统，还可以推广到其他类型的颗粒材料，为研究其在不同条件下的力学行为提供了新的视角。

总的来说，本文通过结合DEM模拟技术和超张量基描述方法，对颗粒材料在单轴压缩过程中的动态特性进行了系统研究。研究结果表明，颗粒的形状和排列结构对系统的弹性模量具有显著影响，而弹性模量的各向异性特征则可以通过弹性波的传播速度进行验证。这些发现不仅为颗粒材料的力学行为研究提供了新的理论支持，还为相关工程应用提供了重要的指导意义。