基于代表性体积单元的高效离散元直剪试验模拟：在边界条件、颗粒形状与粒径分布间平衡保真度与性能

《Powder Technology》：Efficient DEM modelling of direct shear test with a representative volume element: Balancing fidelity and performance across boundary conditions, particle shape, and size distribution

　　

专业摘要翻译：
本研究提出了一种基于代表性体积单元（RVE）的高效离散元法（DEM）直剪试验模型，旨在平衡计算保真度与性能。研究结果显示，紧凑型DEM剪切模型在降低运行时间的同时保持了屈服轨迹的保真度；宽粒径分布（PSD）跨度对剪切应力演化及屈服轨迹参数无明显影响；颗粒形状相比PSD复杂性更能驱动摩擦力的动员；周期性边界条件有效减少了DEM剪切校准中的壁面牵引伪影。该工作提供了一种实用的RVE工作流程，能够基于剪切盒数据实现高效的DEM校准。

论文解读：基于代表性体积单元的高效DEM直剪试验模拟研究

一、研究背景与存在的主要问题
离散元法（Discrete Element Method, DEM）是一种在颗粒尺度上通过接触力学和牛顿第二定律求解颗粒运动与相互作用的数值方法，能够捕捉颗粒重排、力链演化及应力传递等细观机制，在岩土工程和工业颗粒加工领域应用广泛。DEM的输入参数大多难以直接测量，通常需要用宏观直剪试验（direct shear test）获得的屈服轨迹（yield locus）及流动函数系数（flow function coefficient, ffc）等指标作为标定目标，间接确定接触参数。然而，现有DEM剪切盒模拟普遍存在三个突出问题：其一，计算代价高昂，大量颗粒和极小时间步使模拟周期漫长；其二，缺乏统一的、面向剪切盒的标准化建模流程，不同研究对装置理想化方式和边界条件的选择差异大；其三，为降低计算成本常采用单分散颗粒、降低刚度或简化边界等策略，但这些简化是否仍能保持屈服轨迹的保真度，文献中缺乏系统评估。因此，该研究旨在提出一种基于代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）的高效DEM直剪试验模型，系统考察系统级参数和材料级参数对屈服轨迹的影响，以建立兼顾计算效率与标定精度的建模工作流程。

二、研究内容与核心结论
研究人员在Altair EDEM软件中构建了立方体RVE直剪模型，采用爱丁堡弹塑性粘附模型（Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion, EEPA）和Type-C滚动摩擦模型描述颗粒接触行为，按照ASTM D6128标准实现预剪切-剪切加载路径，并利用摩尔圆构造提取屈服轨迹参数。研究得出的核心结论包括：在满足准静态条件（惯性数I<1×10?3）时，颗粒粒径和密度变化对屈服轨迹参数无显著影响；粒径分布（Particle Size Distribution, PSD）的跨度与轮廓对屈服轨迹的影响显著弱于颗粒形状；周期边界条件可有效减少壁面牵引伪影，更利于表征颗粒间接触主导的体相行为；紧凑的l=h=20 RVE（约8000颗粒，运行约2.96小时）与含530,359颗粒、运行超47小时的80:80基线样本在屈服轨迹参数上无统计显著差异，计算效率提升约25.9倍。

三、主要关键技术方法
研究人员采用Altair EDEM v2023.1软件进行模拟，在配备Intel Xeon Gold 6136 CPU的Dell Precision 7820工作站上运行。几何上采用立方体RVE，边长L=l·d₅₀、高度H=h·d₅₀，颗粒体积填充率40%；接触力学采用EEPA模型模拟粘附与塑性变形，以Type-C滚动摩擦模型表征滚动阻力；依据ASTM D6128实现预剪切与剪切程序，并采用2或4个过固结水平；剪切应力信号经六阶零相移低通巴特沃斯滤波器（截止频率100 Hz）处理后，稳态预剪切应力取末尾1000个采样点的均值；通过摩尔圆求得最大主应力（σ₁）、无约束屈服强度（σ_c）、内摩擦角（φ）和有效内摩擦角（φ_e），并以惯性数I控制准静态条件。

四、系统参数研究结果
在代表性样本尺寸研究中，研究人员通过缩放因子l、h（10至80）生成多种RVE体积，并对比各体积下的屈服轨迹。单因素方差分析（ANOVA）显示所有屈服轨迹参数的p值均大于0.05，表明最小样本与最大基线样本间无统计显著差异；但h=10的样本在剪切应变低于1