颗粒材料（particular material）计算力学与工程应用的前沿研究分享
文一：
含甲烷水合物沉积物水力压裂的离散元分析
摘要：
水力压裂是一种重要的储层改造方法，可能有助于实现天然气水合物矿床的有效增产。为了验证一些难以实验证实的理论规律，本研究使用二维颗粒流编码软件PFC2D建立了含甲烷水合物沉积物的离散元模型，并使用流体-机械耦合对不同条件下的含甲烷水合物样品的水力压裂进行了数值模拟。MHBS的最小破裂压力随着水合物饱和度的增加而增加，但水合物饱和度低于30%的样品脆性较弱，这与传统破裂模型中的破裂压力规律形成了对比。水合物饱和度为40−60%的MHBS样品可以产生理想数量的主裂缝。注入流体的泵送压力越高，压裂样品破裂时间越短。根据水合物在沉积物中的分布模型对压裂的有利影响，水合物胶结颗粒接触模型可以排在水合物承载颗粒框架模型之上。水合物胶结颗粒接触模型样品的最小破裂压力大于水合物承载颗粒框架模型样品的最低破裂压力。在MHBS样品的直接自然压裂过程中，自然裂缝必须达到一定的长度，才能产生新的拉伸水力裂缝，从而扩展自然裂缝。独立的水力裂缝可以穿透并进一步扩展自然裂缝。当每个MHBS样品的垂直应力作为最大主应力时，压裂产生的大多数裂缝平行于垂直应力的方向扩展，破坏模式为拉伸破坏。压裂MHBS样品的渗透率增强随着水合物饱和度的增加而降低。这些结果为研究甲烷水合物储层的压裂提供了有价值的参考。
图：在不同水合物饱和度和3和5MPa围压下的应力-应变关系：（a）本文采用离散元法进行双轴压缩试验；（b） Kato和Kajiyama完成的三轴压缩实验。
图：(a)圆盘样品的失效状态和(b)巴西劈裂试验的应力-应变曲线。
图：颗粒、域和平行板管道。
图：注水孔内压力上升的过程和样品在压力上升到击穿压力之前的状态。
图：在12000和22000个时间步长后，水合物饱和度为38.4%的MHBS样品的断裂状态。
图：水合物分布的不同模式：（a）类似于MHBS的天然砂中水泥（白色）的扫描电子显微镜图像；（b）MHBS的孔隙空间的二维重建图像（黑色：沙子；红色：甲烷气体；蓝色：水；黄色：水合物）；（c）本工作中的水合物胶结颗粒接触模型；以及（d）本工作中的水合物承载颗粒框架模型。
图：水合物分布模型对裂缝破裂压力的影响。
图：水平井段和垂直井段的应力图。
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文二：
颗粒材料Cosserat效应的离散元研究：耦合应力和Cosserat模量的测量
摘要：
颗粒材料可以在宏观尺度上建模为Cosserat连续体。然而，颗粒材料的Cosserat效应是否存在一直存在争议。本文采用离散单元法（DEM），在两种边界条件下比较了颗粒材料代表体积单元（RVE）中的宏观应力（如耦合应力）和归一化模量（如Cosserat模量）。结果表明，在位移和旋转边界下，RVE中没有耦合应力和Cosserat模量，但在应变和力矩边界下有耦合应力。Cosserat模量受尺寸效应、颗粒排列和纵横比的显著影响。此外，应变梯度的存在会导致颗粒材料的杨氏模量增加，这表明颗粒材料受到应变梯度和应变梯度的影响。同时，还对两种剪切模量进行了测量和讨论。
图：基于颗粒变化生成的四组粒状RVE。
图：滚动阻力线性模型示意图。
图：四组RVE在双轴压缩模拟中的应力-应变曲线。
图：在双轴压缩模拟中RVE颗粒之间的接触滑移状态。
图：RVE应力-应变曲线和接触滑动比例曲线。
图：四组RVE初始状态下（a）接触法向和（b）接触力的分布。
图：在两个非均匀混合边界条件下，标度比级数RVE中的耦合应力和微曲率随阶跃的曲线。
图：四组RVE在单边界条件下的模量。
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文三：
一种新的由多个扩展DEM模型构建的任意形状粒子的Minkowski和接触算法
摘要：
非球形颗粒材料广泛应用于各种工业领域。由于由多个离散单元模型建模的具有光滑表面的任意形状颗粒组成的混合颗粒流的模拟在实际应用中仍然很困难，因此提出了一种新的CUDA-GPU结构中的Minkowski和接触算法。在该算法中，使用Fibonacci和Minkowski求和算法，使用超椭球方程、球面调和函数和多面体对具有光滑表面的不同形状的粒子进行建模。随后，使用Minkowski和接触算法确定任意形状颗粒之间的单个或多个接触点。采用网格自动简化和GPU并行计算方法，提高了离散元法的计算效率。通过四组数值例子验证了所提出算法的守恒性、准确性和稳健性：颗粒之间的弹性碰撞、颗粒之间的非弹性碰撞、多个粒子的累积和动态颗粒流。相关DEM结果与解析解吻合较好，表明所提出的Minkowski和接触算法能够准确地反映任意形状颗粒材料的动态特性，其中包含不同膨胀的DEM模型。
图：用超椭球方程模拟不同形状的颗粒。
图：由球面调和模型表示的任意形态颗粒。
图：基于Minkowski求和算法的不同扩张DEM模型：（a）扩张球体；（b） 膨胀超椭球体；（c） 膨胀球谐粒子；（d） 扩张多面体。
图：（a） 颗粒i的最大膨胀层和实际膨胀层的示意图；（b） 粒子i和j相互穿透时的重叠示意图。
图：基于Minkowski和接触算法的DEM模拟的CUDA-GPU体系结构。
图：在两个颗粒碰撞过程中，颗粒的平移、旋转和总动能随时间的变化，由不同的膨胀DEM模型建模：（a）膨胀球体；（b）膨胀超椭球体；（c）扩张球调和函数；（d）扩张多面体。
图：（a） 研究了由膨胀多面体构成的齿轮状颗粒的堆积过程；（b） 由膨胀球、膨胀超椭球、膨胀球调和函数和膨胀多面体模拟的不同形状颗粒的混合堆积过程。
图：混合颗粒材料在复杂地形表面上不同时刻的下落和稳定过程：（a）t=0s；（b） t=0.5s；（c） t=1s；（d） t=3s。
图：混合过程和混合颗粒材料在混合器中不同时刻的速度分布：（a-c）混合过程；（d-e）速度分布。
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文四：
基于DEM-FEM耦合模型的海冰与螺旋桨相互作用的数值分析
摘要：
当船只在冰封的海洋中航行时，海冰和螺旋桨之间的相互作用会损坏螺旋桨叶片。建立了一个离散元-有限元耦合模型来研究冰块和螺旋桨之间的相互作用。分别使用基于球体的DEM和有限元的六面体实体单元对冰块和冰级螺旋桨进行了模拟。根据冰刀相互作用的力学机制，海冰的抗压强度是模拟的最重要参数。通过单轴试验，通过元件尺寸和海冰材料的抗压强度来确定元件之间的结合强度。然后，使用所提出的DEM-FEM模型对冰-螺旋桨相互作用进行了模拟。验证了所提出的数值模型的收敛性。为了模拟冰螺旋桨的铣削过程，研究了四个参数，即滑架速度、切削深度、转速和冰强度，以分析冰载荷和螺旋桨的动态响应。最后，考虑到冰桨相互作用的随机性和真实情况，建立了船舶后向航行过程中冰桨相互影响的数值模拟，并分析了叶片上冰载荷的随机特性。
图：DEM 中由球形单元组成的冰块示意图。
图：海冰的平行粘结模型和失效准则。
图：R级螺旋桨的型号。
图：冰刀接触过程示意图。
图：海冰单轴压缩试验示意图。
图：冰螺旋桨碰撞模型和不同w的冰块。
图：螺旋桨与冰块在0.05s（a）w=20时的碰撞过程；（b） w=30；（c） w=40；（d） w=50；（e） w=60
图：船向后航行的示意图。
图：冰块与螺旋桨相互作用过程的模拟。
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Numerical analysis of interaction between sea ice and propeller based on coupled DEM-FEM model.pdf
文五：
液体和颗粒材料爆炸扩散过程中颗粒-爆炸相互作用的数值研究
摘要：
实验表明，当带有嵌入颗粒的高爆装药或被一层液体或颗粒材料包围的装药引爆时，产生的流动会受到颗粒运动的干扰，冲击波剖面与理想的弗里德兰德形态不同。最初，由于颗粒床的压实、破碎和加热以及材料的加速所产生的能量耗散，冲击波超压会降低。然而，随着冲击波的传播，颗粒-流动相互作用共同降低了冲击波峰值超压的衰减率。用多相水力代码进行的计算再现了实验观察到的一般趋势，并突出了粒子加速/减速阶段之间的过渡，这是实验无法获得的，因为粒子被爆轰产物遮挡了。系统地研究了颗粒-爆炸相互作用和爆炸缓解效果对缓解剂与炸药质量比、颗粒尺寸和初始固体体积分数的依赖性。与实验一样，峰值爆炸超压的降低主要取决于材料与炸药的质量比，颗粒床的粒度、密度和初始孔隙率起次要作用。在近场中，随着颗粒被气流加速，爆炸超压随着距离的增加而急剧下降。当颗粒因阻力而减速时，能量返回到流中，峰值爆炸超压恢复并达到与低质量比裸装药相似的值。叠加压力场的颗粒和冲击波运动的时间-距离轨迹图说明了颗粒层运动产生的弱压力波，颗粒层运动向上游传播并扰动冲击波运动。对爆炸颗粒扩散过程中产生的多相流中颗粒和气体动量通量的计算表明，颗粒动量通量是近场中的主导项。在确定被材料层包围的高爆炸装药引爆后对附近结构的损坏时，必须考虑气体和颗粒载荷。
图：峰值超压（左）和脉冲（右）的数值计算与通过视频或压力计提取的M/C=32.21（液滴尺寸为100µM）水爆炸扩散的实验数据的比较。
图：质量比为M/C=1、10和50（液滴尺寸=50µM）的水爆炸扩散的峰值超压（左）和脉冲（右）作为缩放距离的函数。
图：在比例时间距离图上绘制了一个100克 C4炸药的爆炸波轨迹。图上还显示了归一化压力对数的灰度映射。
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