武漢巖土所鈣質砂顆粒形狀虛擬重構取得進展

顆粒的形貌特征一直是影響巖土顆粒材料力學特性的重要因素。隨著近十年來觀測手段的發展和計算機技術的成熟，數值模擬方法的興起為科研人員提供了新的研究思路。如何在數值模擬軟件中重構出復雜且滿足形貌特征的虛擬顆粒成為首要問題。日前，《中國科學報》從中科院武漢巖土所獲悉，該所研究團隊在鈣質砂顆粒形狀虛擬重構中取得最新進展，成果日前發表在《粉末技術》上。

“以往的室內實驗中，由于式樣內的顆粒形狀難以定量控制，導致無法建立顆粒形貌與力學現象的定量聯系”，針對這一問題，中國科學院武漢巖土力學研究所海洋與環境巖土工程研究中心科研人員利用傅立葉方法對鈣質砂顆粒進行了二維的虛擬重構，并結合離散元方法進行了數值模擬。

論文第一作者周皓然介紹，考慮到鈣質砂顆粒形貌復雜，為避免出現重入角的問題，研究人員采用了復數數組的形式表示顆粒的輪廓坐標，利用快速傅立葉方法，可以將顆粒輪廓點數組轉化為傅立葉描述符。基于傅立葉方法重構顆粒的特性，提出了觀點：在傅立葉級數轉化為顆粒輪廓和形貌的過程中，通過低頻到高頻的諧波對形貌的影響不斷疊加，先由低頻的傅立葉級數形成鈣質砂顆粒的大體致形狀，再由高頻的傅立葉級數在輪廓上添加紋理細節。

基于以上觀點，研究人員對傅立葉方法中的賦值過程進行了改進，提出了新的賦值方法“階段賦值法”。該方法可以通過指定形貌參數，快速生成符合形貌要求的二維顆粒輪廓。與傳統的直接生成方法相比，階段賦值法大幅度提高了計算效率與收斂性，且簡化了形貌參數與傅立葉描述符之間的關系。

論文相關信息：