振动形成的单一尺寸硬球晶的结构表征及其动力学的离散元模拟.pdf

振动形成的单一尺寸硬球晶的结构表征及其动力学的离散元模拟安希忠1 ， 李长兴1 ， 杨润宇2 ， 余艾冰2 ， 曲德毅3 1 . 东北大学材料与冶金学院，沈阳1 1 0 0 0 4 ；2 . 新南威尔士大学材料科学与工程学院颗粒系统模拟中心，澳大利亚悉尼新南威尔士2 0 5 2 ；3 . 沈阳鼓风机集团股份有限公司，沈阳1 1 0 8 6 9摘要：采用离散元( D E M ) 数值方法结合物理实验，分别实现了单一尺寸硬球在三维( 3 D ) 间歇振动及批量加料条件下堆积的有序化（结晶），通过对晶体的结构表征、数值仿真中的微观性能如配位数( C N ) 、径向分布函数( R D F ) 、角分布函数( A D F ) 、V o r o n o i / D e l a u n a y 孔的尺寸分布、力的网络分析以及晶体形成过程中的动力学分析，得出如下结论：( 1 ) 数值仿真和物理实验中所获得的均为{ 1 1 1 } 取向F C C 晶体，晶体中粒子的最大堆积密度可达0 . 7 4 ；( 2 ) 晶体中粒子的配位数分布在C N = 1 2 处出现峰值，表明每个粒子具有1 2 个近邻；R D F 和A D F分布表明堆积粒子之间分别在径向具有长程相关性及角度上具有相关性，这是晶态结构的典型特征；V o r o n o i /D e l a u n a y 孔的尺寸分布与非晶态相比表现为高且窄的曲线，且向左移，表明所获得的硬球晶中孔隙很小且分布均匀；粒子间力的网络更直观地表明了晶体的结构，同时还指出在F C C 硬球晶中分别存在着面内的力和面间的力，其中后者小于前者；( 3 ) 晶体形成过程中的速度场和力场等动力学信息的变化表明粒子在堆积过程中一旦形成有序，它将作为一个整体运动，并为后续粒子的有序化提供模板，起到了结晶的晶核的作用. 颗粒堆积； 致密化； 振动； 离散元模拟； 硬球晶 T F 1 2 2 ; T B 4 4 ; O 7 5 6A1 6 7 1 - 6 6 2 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 3 1 8 - 0 7S t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n o n t h e v i b r a t i o n i n d u c e d m o n o - s i z e d h a r d s p h e r e c r y s t a l a n d i t s d y n a m i c s b y D E M m o d e l i n g A N X i - z h o n gL I C h a n g - x i n g Y A N G R u n - y uY U A i - b i n gQ U D e - y i2 0 1 1 - 0 9 - 2 0 国家自然基金( 5 0 9 7 4 0 4 0 ) ， 中央高校基本科研业务费( N 1 0 0 4 0 2 0 0 9 ) ，澳大利亚研究委员会基金( D P 0 6 6 5 2 7 6 ) . 安希忠( 1 9 7 3 - ) ，男， 辽宁盖州人， 东北大学副教授，E - m a i l ： a n x z @ m a i l . n e u . e d u . c n分别分布以及以得到数值仿构的@ @ [ 1 ] G e r m a n R M . P a r t i c l e p a c k i n g c h a r a c t e r i s t i c s [ M ] .P r i n c e t o n , N e w J e r s e y : M e t a l P o w d e r I n d u s t r i e s , 1 9 8 9 : 1- 1 8 .@ @ [ 2 ] B i d e a u D , H a n s e n A . D i s o r d e r a n d g r a n u l a r m e d i a , r a n d o m m a t e r i a l s a n d p r o c e s s [ M ] . E d i t e d b y S t a n l e y H E , G u y o n E ,N o r t h - H o l l a n d . A m s t e r d a m : E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s , 1 9 9 3 : 1 - 2 5 .@ @ [ 3 ] B e r n a l J D . A g e o m e t r i c a l a p p r o a c h t o s t r u c t u r e o f l i q u i d s [ J ] .N a t u r e , 1 9 5 9 , 1 8 3 ( 4 6 5 5 ) : 1 4 1 - 1 4 7 .@ @ [ 4 ] S c o t t G D . P a c k i n g o f s p h e r e s [ J ] . N a t u r e , 1 9 6 0 , 1 8 8 ( 4 7 5 4 ) : 9 0 8 - 9 0 9 .@ @ [ 5 ] F i u n e y J L . R a n d o m p a c k i n g s a n d t h e s t r u c t u r e o f s i m p l e l i q u i d s : I t h e g e o m e t r y o f r a n d o m c l o s e p a c k i n g [ J ] . P r o c R o y S o c L o n d A , 1 9 7 0 , 3 1 9 : 4 7 9 - 4 9 3 .@ @ [ 6 ] W o o d c o c k L V . G l a s s t r a n s i t i o n i n t h e h a r d - s p h e r e m o d e [ J ] . J C h e m S o c F a r a d a y Ⅱ , 1 9 7 6 , 7 2 : 1 6 6 7 - 1 6 7 2 .@ @ [ 7 ] F i n n e y J L . M o d e l l i n g t h e s t r u c t u r e s o f a m o r p h o u s m e t a l s a n d a l l o y s [ J ] . N a t u r e , 1 9 7 7 , 2 6 6 : 3 0 9 - 3 1 4 .@ @ [ 8 ] Z a l l e n R . T h e p h y s i c s o f a m o r p h o u s s o l i d s [ M ] . N e w Y o r k :W i l e y , 1 9 8 3 : 1 - 1 5 .@ @ [ 9 ] K n i g h t J B , F a n d r i c h C G , L a u C N , e t a l . D e n s i t y r e l a x a t i o n i n a v i b r a t e d g r a n u l a r m a t e r i a l [ J ] . P h y s R e v E , 1 9 9 5 , 5 1( 5 ) : 3 9 5 7 - 3 9 6 3 .@ @ [ 1 0 ] T o r q u a t o S . G l a s s t r a n s i t i o n : h a r d k n o c k f o r t h e r m o d y n a m i c s [ J ] . N a t u r e , 2 0 0 0 , 4 0 5 : 5 2 1 - 5 2 3 .@ @ [ 1 1 ] S t a c h u r s k i Z H . D e f i n i t i o n a n d p r o p e r t i e s o f i d e a l a m o r p h o u s s o l i d s [ J ] . P h y s R e v L e t t , 2 0 0 3 , 9 0 ( 1 5 ) : 1 5 5 5 0 2 .@ @ [ 1 2 ] A n X Z , Y a n g R Y , D o n g K J , e t a l . M i c r o m e c h a n i c a l s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f o n e - d i m e n s i o n a l v i b r a t o r y s p h e r e p a c k i n g [ J ] . P h y s R e v L e t t , 2 0 0 5 , 9 5 : 2 0 5 5 0 2 - 1 - 4 .@ @ [ 1 3 ] A n X Z , L i C X , Y a n g R Y , e t a l . E x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e p a c k i n g o f m o n o - s i z e d s p h e r e s s u b j e c t e d t o o n e - d i m e n s i o n a l v i b r a t i o n [ J ] . P o w d e r T e c h n o l , 2 0 0 9 , 1 9 6 : 5 0 - 5 5 .@ @ [ 1 4 ] O w e B e r g T G , M c d o n a l d R L , T r a i n o r R J . T h e p a c k i n g o f s p h e r e s [ J ] . P o w d e r T e c h n o l , 1 9 6 9 / 1 9 7 0 , 3 : 1 8 3 - 1 8 8 .@ @ [ 1 5 ] P o u l i q u e n O , N i c o l a s M , W e i d m a n P D . C r y s t a l l i z a t i o n o f n o n - B r o w n i a n s p h e r e s u n d e r h o r i z o n t a l s h a k i n g [ J ] . P h y s R e y L e t t , 1 9 9 7 , 7 9 : 3 6 4 0 - 3 6 4 3 .@ @ [ 1 6 ] V a n B l a a d e r e n A , R u e l。