由重叠球体组成的颗粒介质中堆积分数的优化

当随机倒入容器时，何种颗粒形状会产生最高的堆积分数？为了高效探索和遍历巨大的搜索空间，我们将分子动力学模拟与人工进化相结合。任意颗粒形状由一组不同直径的重叠球体表示，使我们能够以与所含球体数量成正比的分辨率来近似平滑表面。我们发现了一类平面三角形颗粒，其堆积分数 $\phi \sim$ 0.73 超越了几乎所有已报道的无摩擦颗粒随机堆积的实验结果。我们研究了 $\phi$ 如何取决于构成单个颗粒的球体排列以及表面的光滑度。我们使用该类中最简单成员（由三个相同半径的重叠球体构成的平面颗粒）的 3D 打印复制品通过实验验证了模拟。与 3D 打印的非球形椭球的直接实验比较表明，三角形颗粒不仅在大系统尺寸极限下，而且在被限制于小容器时，都堆积得极好。