压碎、粉碎与断裂：三维颗粒聚集体中的极端粒子变形
软凝聚态物质
2025-07-16 v2
摘要
我们提出了一种高保真三维计算框架，用于模拟由可变形脆性颗粒组成的颗粒聚集体的宏观力学行为。不同于经典离散元方法（DEM），我们的方法基于态基动力学（peridynamics）的非局部连续介质表述，同时捕捉粒子间和粒子内的变形。每个颗粒均从水平集表示中单独划分网格，实现了对弹性响应和自主断裂演化的精确建模，无需显式裂纹追踪或碎片重建。我们通过基准模拟验证了该方法，包括 Kalthoff-Winkler 断裂试验、空心球压碎以及复合冲击-压碎场景。该框架进一步应用于多达 1000 颗形状不规则砂粒的大型聚集体，这些颗粒由三维 X 射线计算机断层扫描重建。模拟显示在压缩下宏观应力响应收敛，表明构建用于多尺度建模的代表体积单元（RVE）的可行性。最后，我们研究了颗粒几何与拓扑对聚集体宏观强度的作用，揭示了微观结构驱动的失效机制。该框架展现出优异的强可扩展性和弱可扩展性，在多达 1600 个核心上执行模拟，证明了其在高性能计算环境和大规模建模中的适用性。
引用
@article{arxiv.2506.05362,
title = {Crushing, Comminution and Fracture: Extreme Particle Deformation in Three-Dimensional Granular Aggregates},
author = {Debdeep Bhattacharya and Davood Damircheli and Robert P. Lipton},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.05362},
year = {2025}
}