Improved method for generating sand assembly with wide range of aspect ratios and angularities based on insights gained from comparative study of existing techniques

作者：Meng Fan, Dong Su, Xiangsheng Chen

论文内容

砂土颗粒的形态对其力学性质有着显著的影响。CT扫描可直接获取真实砂土颗粒的形态，但所获得的数量往往有限，因此如何生成大量保留真实颗粒（母颗粒）形态信息的虚拟颗粒，是利用离散元模拟方法研究颗粒细观形态特征对宏观力学特性影响规律的基础。然而，现有的颗粒生成方法大多仅适用于轴长比和棱角度分布较为狭窄的母颗粒。针对此问题，本文提出了一种能够保留母颗粒较大范围轴长比和棱角度（如图1所示）的形态和级配信息的虚拟颗粒生成方法。

基于对目前多种颗粒生成方法的比较研究，建立了一种将主成分分析（PCA）与系数标准化相结合的方法作为颗粒生成的基本框架（如图2所示）。基于对颗粒与其最佳外接超椭球表面之间的补偿半径进行球谐函数展开，提出了一种能够很好保留母颗粒轴长比形态特征的颗粒重构方法（如图3所示）。将该重构方法纳入到颗粒生成框架中形成新的颗粒生成方法，实现了较大范围轴长比和棱角度的虚拟颗粒生成（如图4所示）。

（a） （b）

图1 母颗粒的轴长比和棱角度分布：（a）轴长比；（b）棱角度

（a） （b）

（c） （d）

图2 颗粒生成的基本框架：（a）系数标准化；（b）随机生成的标准化系数分布；（c）系数转换；（d）随机生成的虚拟颗粒系数分布

（a） （b）

图3 基于最佳外接超椭球补偿半径的颗粒重构方法：（a）颗粒的最佳外接超椭球；（b）补偿半径的球谐函数展开

（a） （b）

图4 基于新提出的颗粒生成方法进行较大范围轴长比和棱角度的虚拟颗粒生成：（a）母颗粒；（b）虚拟颗粒

作者信息

第一作者:

樊猛，深圳大学土木与交通工程学院博士研究生，主要研究方向为颗粒形态对岩土材料物理力学特性的影响探究。

Email：fanmeng2021@email.szu.edu.cn.

第二作者（通讯作者）:

苏栋，深圳大学土木与交通工程学院教授，主要从事土体宏细观力学特性及土与结构相互作用方面的研究。

Email：sudong@szu.edu.cn

第三作者:

陈湘生，中国工程院院士、深圳大学特聘教授，隧道与地下工程、城市轨道交通工程、智能岩土工程、特殊岩土工程、人工冻土力学、建井工程著名专家。

Email:xschen@szu.edu.cn

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