颗粒力学（particle mechanics）的前沿研究分享
欧拉和拉格朗日方法在运动列车产生的微粒浓度数值研究中的比较
摘要：
最近的研究表明，由于颗粒物的连续产生和积累，地铁系统内的空气质量较差。其中许多颗粒是由刹车片磨损产生的含铁空气磨损颗粒。本研究调查了列车制动过程中列车制动片排放的磨损颗粒的浓度分布。由于列车在地铁系统的大几何形状内运动引起的非定常三维湍流，这种数值模拟需要很高的计算成本，特别是在使用跟踪每个粒子的拉格朗日方法时。因此，采用将颗粒相视为连续体的成本较低的欧拉方法更为可取。然而，应研究使用欧拉方法代替拉格朗日方法的可行性，特别是对于列车诱导湍流流场内运动物体发射的大颗粒。因此，在本工作中，对通过这两种方法获得的颗粒浓度预测进行了比较。欧拉方法的预测更加连续和均匀，而基于单个粒子累积的拉格朗日方法的预测则更加分散。结果表明，欧拉方法可以在保持计算效率的同时提供合理的预测。
图：a隧道和车站计算域。b列车（初始位置）和隧道模型示意图。c显示计算域横截面几何形状和隧道沿线网格界面的示意图。
图：a列车模型的速度。b列车乘客车厢示意图，重点是刹车片位置。
图：位于左右平台人类呼吸区的表面示意图。比较左表面b右表面归一化平均颗粒浓度时变的欧拉和拉格朗日方法的结果。
图：比较欧拉和拉格朗日方法对车站隧道连接表面归一化平均颗粒浓度时变的结果：a隧道入口1和b隧道入口2。
图：比较通过欧拉和拉格朗日方法获得的人类呼吸表面归一化粒子浓度轮廓的结果。
图：比较通过欧拉和拉格朗日方法获得的距离站入口74米处人类呼吸表面b a表面t=102秒归一化粒子浓度轮廓的结果。
文二：
颗粒性质异质性对砂土材料力学性质的影响
摘要：
颗粒组成的随机排列或颗粒固有性质的异质性是导致砂土力学参数变化的原因。将离散元法与随机场理论相结合，改进了一种随机离散耦合建模方法，其中使用滚动阻力接触模型来考虑砂土颗粒的滚动摩擦特性。考虑到两个随机场因素，即变异系数和波动范围，为典型工作情况开发了四个随机离散元模型（RDEM）。采用蒙特卡洛方法模拟了三轴RDEM，分析了应力-应变关系、强度和变形参数。研究了变异系数（Cov）和波动范围（δ）对力学特性变异性的影响。结果表明，随着Cov的增加，随机非均质样品的平均剪切模量G、峰值摩擦角φp和临界摩擦角φc下降，而平均泊松比μ增加。随着δ的增加，随机非均质样品的变形和强度参数的平均值最终接近均质样品的平均值。
图：滚动阻力模型图。
图：随机离散耦合过程原理。
图：三轴试验模型。
图：不同Cov和δ粒子的典型随机场模型。
图：非均质土样直剪试验结果比较。
图：代表性均匀和非均匀试样的平均法向接触力。
文三：
颗粒形状对颗粒材料剪切行为影响的DEM研究
摘要：
本研究使用二维离散元法模拟研究了颗粒凸度、球形度和纵横比（AR）对剪切颗粒材料行为的影响。制备了具有不同颗粒形状的各向同性、致密和松散的组件，并通过双轴压缩进行排水剪切，直至达到临界状态。介绍了强度和剪胀性等宏观特征。然后通过考虑配位数、织物各向异性、颗粒力矩、接触处的摩擦运动和颗粒旋转来研究宏观行为背后的因素。对于这里考虑的形状范围，数据表明，剪切强度随着颗粒凸度和球度的增加而降低，而剪切强度随着AR的增加而增加。剪切强度和凸度之间的相关性较弱，但AR和强度之间的相关性更强。随着AR的增加，大应变下的体积应变趋于增加。临界状态强度与临界状态配位数和临界状态机械孔隙比之间的相关性比临界状态孔隙比与临界状态强度之间的相关性更强。接触织物各向异性、颗粒传递的力矩大小和接触处产生的摩擦力是影响强度的重要因素。临界状态强度随着平均颗粒力矩和平均移动摩擦的增加而增加。颗粒旋转分析为颗粒材料对剪切的响应提供了见解。
图：DEM研究中使用的粒子类型及其球度S值。
图：双轴剪切下的样品图示。
图：颗粒形状对堆积的影响：a凸度b球度c纵横比（“2D-DEM”表示当前的研究。）
图：三维团簇致密样品的粒子取向彩色图。
文四：
通过光滑粒子流体力学（SPH）模拟和实验研究研究横向速度对Al-16Si合金摩擦堆焊的影响
摘要：
移动速度对Al-16Si合金摩擦片显微组织、力学性能及耐磨性能的影响 使用平滑粒子流体动力学 (SPH) 模拟和实验评估 AA1050 合金表面 结果显示，随着移动速度的增加，涂层的高度和宽度分别减少了 54% 和 20% 速度从 75 毫米/分钟增加到 115 毫米/分钟。此外，观察到界面处的未粘合区域相应增加 模拟结果显示了以横向速度涂覆的样品在涂层/基材界面处的最大剪切应力 75、95 和 115 mm/min 分别为 83、95 和 112 MPa。随着移动速度从 75 增加到 115 mm/min， 摩擦堆焊所需的预测扭矩和垂直力分别增加了92%和22%。当移动速度从 75 至 115 毫米/分钟。移动速度从 75 至 95 毫米/分钟增加导致晶粒尺寸减小 11% 和 13%， 与 AA1050 基材相比，硬度、强度和耐磨性分别提高 12% 和 8%。
图：显微组织检查、SPT试验、磨损试验和试样提取位置推压的示意图。突出显示的区域显示了检查的位置。
图：不同样品的横截面；a样品C-75，b样品C-95，C样品C-115。
图：不同样品涂层过程中的预测扭矩和垂直力。
图：A390消耗棒和样品C-75不同区域的光学显微镜图像。
图：不同放大倍数下A390自耗棒的SEM图像。
图：磨损表面的SEM图像；a AA1050基板，b A390耗材棒，c样品c-75，d样品c-95，e样品c-115。
文五：
基于SPH的流体和结构力学修正输运速度公式
摘要：
为了提高光滑粒子流体力学(SPH)方法的计算精度，采用了粒子移动技术(PST)。移动确保了粒子在空间中的均匀分布。这可以通过使用输运速度移动粒子来实现。在本文中，我们提出了一类扩展的输运速度公式(TVF)方法。我们以一致的方式导出了方程，并且证明了还有一些额外的项显著地提高了方法的精度。特别地，我们将其应用于熵阻尼人工压缩 SPH 方法。我们用一种简单的方法来识别自由表面的粒子及其法线，从而使这种方法适用于自由表面问题。我们展示了新方法如何应用于弹性动力学问题。我们考虑了一组基准问题，包括流体力学和固体力学，以证明该方法的准确性和适用性。实现是开源的，手稿是完全可重复的。
图：流体圆环自由表面粒子的识别。描绘流体粒子的法线，b流体粒子的边界粒子。
图：溃坝模拟中流体法线的识别。向我们显示所有流体粒子的法线。
图：雷诺数为1000的泰勒-格林涡旋的粒子图，分辨率为150×150。颜色代表压力。
图：Re=100的空腔的粒子图，粒子排列为150×150，左侧有校正项，右侧没有校正项。
