Voxelization based packing analysis for discrete element simulations of non-spherical particles
提出了一种基于体素化的后处理算法，用于分析离散元法模拟的非球形颗粒集合体的堆积情况。颗粒数据的体素化允许在各种空间子域（2D表面或3D区域）中隔离颗粒组装体的几何特征，并研究局部堆积行为。分析局部堆积行为能够确定限制的影响，如壁效应，堆叠行为，局部膨胀/收缩和局部负载。所提出的技术来分析实际的颗粒组件的功效证明，通过不同的组件的超二次立方体，超二次椭球体，和多球形咖啡豆的包装分析。
2021-10-27 cond-mat.other cond-mat.soft
A Random Sequential Addition-based Algorithm for Generating Random Packings of Non-spherical Particles with Tunable Topology
尽管与使用球形颗粒相关的许多优点，但在实践中，非球形颗粒是基于烧结的加工技术（如选择性激光烧结）中的主要成分，其中它们的形状和表面粗糙度影响颗粒间接触的形成和发展。颗粒-颗粒接触不仅影响整体孔表面曲率，从而影响烧结过程背后的驱动力，而且还影响宏观性能的发展，特别是机械强度。为了研究颗粒连通性在烧结过程中的作用，我们提出了一种简单的算法，该算法在广泛的颗粒连通性中生成非球形颗粒的随机堆积。我们通过在三个独立的阶段中聚集三组球体来创建不规则的颗粒形状，这使我们能够调整颗粒的形状和表面粗糙度。由我们的算法生成的包装可以用于模拟和打印原型，可以在实时实验中进行测试。
2019-12-10 cond-mat.soft
Novel dense crystalline packings of ellipsoids
椭球体是最简单的非球形，它被广泛地用作分子、胶体和颗粒体系的细长结构单元的模型。然而，与许多凝聚态系统的高密度相密切相关的全等硬椭球的密排仍然是一个悬而未决的问题。我们发现了一种新的包含24个颗粒的椭球体的致密晶体堆积，具有准正方形-三角形（SQ-TR）平铺排列，其堆积密度ε超过了SM 2晶体的纵横比α（1.365，1.5625），在α = 93/64时达到最大ε约0.75806。我们证明了SQ-TR相在上述α范围内的高密度下是稳定的，并报道了一种新的自对偶椭球相图。SQ-TR晶体的发现为非球形粒子和胶体体系的自组装提供了新的组织原理。
2016-08-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Packing of softly repulsive particles in a spherical box - a generalised Thomson problem
研究了N个软排斥粒子在球盒中的（接近或接近）基态分布。电荷通过形式为$1/r^γ$的逆幂律势相互作用。我们研究了三种制度，其中的费用形成一个单一的球壳在边缘的盒子（$γ=1$），一系列的同心壳的密度增加（$γ=2$）和$γ=12$的费用形成壳具有更均匀的电荷分布。我们进行数值模拟的集群包含多达5000个电荷和比较整个系统的电荷密度与连续极限的结果。数值（离散）结果和连续极限之间的一致性被发现随着N的增加而改善。
2013-06-12 cond-mat.soft
Adhesive Loose Packings of Small Particles
我们探讨粘性松散包装干燥的小球形颗粒的微米尺寸使用三维离散元模拟与粘合剂接触力学。一个无量纲的粘附参数（$Ad$）成功地结合了颗粒速度，尺寸和粘附功的影响，确定了一个通用的制度，胶粘剂包装$Ad>1$。在这个政权的填料的结构特性很好地描述了一个合奏方法的基础上的粗粒度的体积函数，包括散装和接触球之间的相关性。我们的理论和数值计算结果预测：（一）状态方程的粘性松散包装，出现作为一个连续的无摩擦随机紧密包装（RCP）点的堵塞相图;（二）存在一个最大的松散包装点的配位数$Z=2$和包装分数$ϕ=1/2^{3}$。我们的研究结果强调，粘附导致一个普遍的包装制度在包装分数远小于随机松散包装，这可以在一个统计力学框架内描述。我们提出了一个一般的相图堵塞的物质，包括摩擦，摩擦，粘合剂以及非球形颗粒，提供了一个分类的包装方面的延续，从球形无摩擦RCP。
2014-10-08 cond-mat.soft
Convective Flows in Sheared Packings of Spherical Particles
Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS)（基础科学高等研究院）；Heinrich Heine Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫大学）；Saarland University（萨尔兰大学）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；University of Northern Iowa（北爱荷华大学）
研究揭示了在球形颗粒堆中剪切应力下持续对流现象，发现系统几何形状对二次流动形成至关重要，可能对地质和工业应用有影响。
2025-12-24 cond-mat.soft
Percolation transition in the packing of bidispersed particles on curved surfaces
研究了双分散球形粒子在球面上的堆积。曲率的存在需要缺陷，即使是单分散的颗粒;双分散性要么导致一个更无序的包装几乎相等的半径，或更高的填充分数时，较小的颗粒被容纳在较大的球体的间隙。在包装分数的变化被解释的渗滤过渡，作为链的缺陷或疤痕以前发现的单分散的情况下生长，并最终断开的邻居图。
2016-08-02 cond-mat.soft
Constraints and vibrations in static packings of ellipsoidal particles
我们用数值方法研究了二维和三维椭球体颗粒在一定长宽比和压缩比范围内的静态堆积力学性质$Δϕ$。虽然堵塞开始时球形颗粒的无定形填料（$Δϕ=0$）是均衡的，并且具有它们被集体堵塞所需的最小接触数$z_{\rm iso}$，但椭圆形颗粒的无定形填料通常具有比根据朴素计数参数预期的集体堵塞（$z < z_{\rm iso}$）更少的接触，该参数假设所有接触都会对颗粒间分离产生线性独立的约束。为了理解这种行为，我们分解的动态矩阵$M=H-S$静态包装的椭球粒子成两个重要组成部分：刚度$H$和应力$S$矩阵。我们发现，刚度矩阵具有$N(z_{\rm iso} - z)$本征模式${\hat e}_0$具有零特征值，即使在有限的压缩，其中$N$是粒子的数量。此外，这些模式${\hat e}_0$的动力学矩阵的本征向量与本征值的比例为$Δϕ$，因此有限的压缩稳定包装的椭球粒子。在干扰开始时，椭圆形颗粒的静态填充的谐波响应消失，和总势能尺度为$δ^4$的扰动幅度$δ$沿这些“四次”模式，${\hat e}_0$。这些发现说明球形和椭球形颗粒的静态填料之间的显着差异。
2012-01-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Close packing of rods on spherical surfaces
利用模拟退火和分子动力学模拟，研究了短硬球柱的最佳堆积。对于多达12个粒子的集群，我们绘制出的变化的几何形状的最紧密的包装配置的功能的纵横比$L/D$，其中$L$是圆柱体的长度和$D$的直径杆。我们发现了丰富多样的集群结构。对于较大的集群，我们发现，最好的包装配置高达约100个粒子是高度依赖于粒子的确切数量和纵横比。对于更大的集群，我们发现很大程度上无序的集群非常短的棒（$L/D = 0.25$），而稍长的棒（$L/D = 0.5$或$1$）更喜欢一个全球棒球般的几何形状的近晶状域，类似于大规模的贝壳的行为。我们的研究结果提供了预测实验实现系统的胶体棒被困在界面的乳液液滴。
2016-03-07 cond-mat.soft
Pressure-dependent shear response of jammed packings of spherical particles
纯排斥性球形颗粒填充物对非热、准静态简单剪切的机械响应在堵塞开始时是高度非线性的。先前的研究表明，在小压力$p$下，整体平均静态剪切模量$\langle G-G_0 \rangle$与$p^α$成比例，其中$α\approx 1$，但高于特征压力$p^{**}$，$\langle G-G_0 \rangle \sim p^β$，其中$β\approx 0.5$。然而，我们发现，剪切模量$G^i$为一个单独的包装通常线性下降与$p$沿几何家庭的接触网络不改变。我们解决了这种差异表明，虽然剪切模量线性下降的几何家庭内，$\langle G \rangle$也取决于从不连续的跳跃在$\langle G \rangle$发生在几何家庭之间的过渡的贡献。对于$p > p^{**}$，几何家族和重排对$\langle G \rangle$的贡献具有相反的符号，并且对于所有系统尺寸保持相当。$\langle G \rangle$可以通过在两个幂律指数$α$和$β$之间平滑过渡的缩放函数来描述。我们还演示了{ \it压缩unjamming}的现象，其中堵塞的包装可以通过各向同性压缩unjamming。
2019-08-26 cond-mat.soft
Scaling properties of the number of random sequential adsorption iterations needed to generate saturated random packing
研究了随机顺序吸附过程中生成有限饱和球对称随机堆积所需迭代次数的性质。一维，二维和三维填料得到的数值结果支持的分析计算有效的任何尺寸$d$。结果表明，生成有限饱和堆积所需的迭代次数服从指数为$-1-1/d$的Pareto分布，该分布的中值与堆积大小服从指数为$d$的幂律关系.所得结果可用于设计有效的RSA模拟。
2016-11-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mean-field theory of random close packings of axisymmetric particles
非球形颗粒的最优随机堆积是一个在科学和工程领域具有重要意义的公开问题。到目前为止，这种搜索仅凭经验进行个案的基础上，特别是，像二聚体，spherocylinders和旋转椭球体的形状。在这里，我们提出了一个平均场的形式主义来估计轴对称非球形粒子的堆积密度。我们推导出一个解析延拓球，提供了一个相图预测，对于相同的配位数，单分散随机填料的密度如下的顺序增加包装分数：球<扁椭圆体<长椭圆体<二聚体< spherocylinders。我们发现的最大堆积密度为73.1%的spherocylinders和70.7%的二聚体，在模拟中发现的最大密度的良好协议。此外，我们发现透镜状颗粒的堆积密度为73.6%，代表了迄今为止研究的轴对称物体的密集随机堆积。
2013-08-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Packing3D.jl: An open-source analytical framework for computing packing density and mixing indices using partial spherical volumes
Packing3D.jl 是一个开源 Julia 软件包，通过解析计算球体与笛卡尔及圆柱网格的部分体积交叠，提供连续、可复现的堆积密度场和混合指数，解决了传统颗粒计数方法在单元边界处的不连续性问题，并在高性能和低内存占用下实现精确测量。
2025-09-18 cond-mat.soft math-ph math.MP
Circle packing on spherical caps
本文研究了全等圆盘在球冠上的堆积问题，通过广泛搜索不同角宽度和圆盘数量下的最密堆积构型，分析了堆积分数变化规律与拓扑缺陷特征，并揭示了六边形堆积构型随曲率增加的演化与消失过程。
2024-08-22 cond-mat.soft physics.comp-ph
Impact of friction and grain shape on the morphology of sheared granular media
本研究通过模拟或分析非球形颗粒在剪切下的行为，揭示摩擦、长径比和初始堆积如何共同决定稳态排列、密度以及剪切带内自发堆起或凹陷的形成。
2025-02-19 cond-mat.soft
Beyond icosahedral symmetry in packings of proteins in spherical shells
在许多自然系统中，由蛋白质构建块形成准球形笼是一个显着的自组装过程，其中少量的基本构建块组装成高度对称的二十面体笼。反过来，这又激发了合成生物学家设计从头蛋白质笼。我们使用简单的模型，在多个尺度上，研究自组装的球形笼，专注于表面上的蛋白质类物体的包装的规律性。使用积木，这是能够包装与二十面体对称性，我们研究如何稳定这些高度对称的结构是扰动，可能会产生的相互作用块和熵效应之间的相互作用的灵活性。我们发现，在这些扰动的存在下，二十面体包装是不是最稳定的安排，为广泛的参数，而无序的结构被发现是最稳定的。我们的研究结果表明，（i）许多设计的，甚至天然的蛋白质笼在这些扰动的存在下可能不是规则的，（ii）优化这些灵活性可以是一种可能的设计策略，以获得规则的合成笼，并完全控制其表面特性。
2017-08-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Energetically favoured defects in dense packings of particles on spherical surfaces
相互作用的粒子在球体上的密集堆积已被证明是病毒衣壳和胶体体的有用模型。事实上，在病毒衣壳中观察到的二十面体对称性对应于发生幻数的势能最小值，例如，12、32和72个相同的Lennard-Jones颗粒，对于这些颗粒，填充具有正好最小数量的12个五重缺陷。然而，目前还不清楚这些结构对热搅动的稳定性如何。我们调查这个属性通过盆地跳跃的全球优化和朗之万动力学粒子数在10和100之间。一个重要的测量是点缺陷的数量和类型，即没有六个最近邻居的粒子。我们发现，小的二十面体结构是最强大的对热波动，表现出较少的过剩缺陷和重排的一个很宽的温度范围。此外，我们提供的证据表明，在低的非零温度下出现的多余的缺陷降低的熵为代价的势能。在较高的温度下，缺陷，如预期的那样，热激发，从而熵稳定。如果我们用一个非常短程的（Morse）势来代替Lennard-Jones势，我们会发现，同样的粒子数会给出势能的最小值，尽管对于更大的粒子数，这些最小值对应于不同的堆积。此外，缺陷是更难以激发热的短程电位，这表明短程相互作用进一步稳定平衡结构。
2017-02-28 cond-mat.soft
Optimal Packings of Superballs
致密硬颗粒堆积与物质的低温相结构密切相关，是非均质材料和颗粒介质的有用模型。大多数三维密度填充的研究都考虑了球形，只是最近才考虑非球形（例如，椭圆体）进行了研究。超级球（其形状由|x1| ^2p + |x2| ^2p + |x3| ^2p <= 1定义）提供了具有立方体和八面体状形状的凸颗粒（p >= 0.5）以及具有八面体状形状的凹颗粒（0 < p < 0.5）的通用家族。在本文中，我们给出了所有凸和凹情形下的已知超球填充的解析构造。候选的最大稠密填充是某些布拉维格填充族。作为p的函数的最大堆积密度在球点（p = 1）是非解析的，并且随着p远离1而急剧增加。由破缺的旋转对称性决定的超级球的填充特性类似于但比它们的二维“超级盘”对应物更丰富，并且明显不同于椭球填充。我们的候选最佳超级球包装提供了一个起点，以量化的平衡相行为的超级球系统，这应该加深我们的理解的统计热力学的非球形粒子系统。
2009-02-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Universality of jamming of non-spherical particles
非球形颗粒（如椭球体和球柱体）的无定形堆积是实体的：颗粒之间的机械接触的数量小于自由度的数量，因此违反了麦克斯韦的机械稳定性准则。在这项工作中，我们提出了一个普遍的理论，实体无定形填料和相关的堵塞过渡。首先，我们表明，许多系统属于同一个普适类。作为一个例子，我们明确映射到一个系统的椭圆“呼吸”粒子。我们表明，通过使用一个边际稳定的参数，在这两种情况下，堵塞的包装是hypostatic的，并且与接触数和振动态密度的临界指数是相同的。此外，我们引入了一个广义的感知器模型，可以解析地解决的副本方法。该解析解预测了同一实体干扰普适类的临界指数。分析还表明，实体干扰的力和间隙分布不符合幂律分布，与球形粒子的均衡干扰形成鲜明对比。最后，我们通过数值模拟证实了我们的理论预测。
2018-11-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dense Packings of the Platonic and Archimedean Solids
致密堆积已成为研究液体、玻璃态和晶体态物质、颗粒介质、非均质材料和生物系统结构的有用模型。探索离散填充的对称性和其他数学性质是离散几何和数论中一个长期感兴趣的问题。以前的工作主要集中在球形颗粒，而对致密多面体填料知之甚少。我们制定了一个自适应的基本细胞周期性边界条件的多面体内产生密集包装的问题作为一个优化问题，我们称之为自适应收缩细胞（ASC）计划。这个新的优化问题在这里解决（使用各种多粒子初始配置），以找到在三维欧氏空间中的每个柏拉图固体的稠密包装。我们找到了密度分别为$0.782...$，$0.947...$，$0.904...$，和$0.836...$的四面体，八面体，十二面体和二十面体的密集的已知填充.不同于denitrifetrahedral packing，这必须是一个非布拉维格包装，denitrifetrahedral packing的其他非平铺柏拉图固体，我们得到的denitrifetrahedral packing是他们以前已知的最佳（布拉维）格包装。我们的模拟结果，严格的上限，我们推导出，和理论论证导致我们强烈的猜想，即中心对称的柏拉图和阿基米德固体的dennial包装给出了相应的dennial晶格包装。这是开普勒对这些固体的球面猜想的类比。
2009-08-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Geometric and Topological Entropies of Sphere Packing
我们提出了一个统计力学描述随机包装的球形颗粒，其中的平均配位数被视为一个宏观热力学变量。整体包装熵有两个贡献：几何，反映统计权重的个别配置，和拓扑，这对应于拓扑不同的状态的数量。在二维和三维等静压填料的热力学极限下计算了它们，并将计算结果进一步推广到“松软”颗粒团簇的情况。该理论是直接适用于粘性胶体，此外，概括的概念，颗粒和玻璃状的配置熵的情况下，非堵塞系统。
2021-04-12 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Two-Dimensional Packing of Soft Particles and the Soft Generalized Thomson Problem
我们进行数值模拟的纯排斥性软胶体粒子通过广义弹性势相互作用，并限制到一个二维平面和表面的球壳。对于平面的情况下，我们计算系统的重新缩放的密度和温度的相图。我们发现，大量的有序相成为访问在低温下作为系统的密度增加，我们系统地研究如何结构多样性取决于对潜在的功能形状。对于球形的情况下，我们重新考虑了广义汤姆逊问题的少量粒子N <= 12和识别，枚举和比较的最小能量多面体建立的粒子的位置，相应的静电系统。
2011-06-15 cond-mat.soft
Strain-stiffening in random packings of entangled granular chains
以颗粒链的随机堆积为模型，研究了在无布朗运动的情况下，颗粒链的缠结对应变硬化的贡献。在三轴压缩实验中，链式填料被剪切。对于短链长度，当剪切应力超过围压的范围时，这些填料屈服，类似于球形颗粒的填料。相比之下，足够长以形成环的链的堆积表现出应变硬化，其中材料的有效刚度随着应变而增加，类似于许多聚合物材料。后一种填料可以承受比围压大几个数量级的应力，并且在链环断裂之前不会屈服。X射线断层扫描测量结果表明，应变硬化填料包含系统跨越集群的纠缠链。
2011-08-16 cond-mat.soft
Loose packings of frictional spheres
我们已经生产了松散包装的粘性，摩擦领域的顺序沉积高度球形，单分散颗粒通过流体。通过改变流体和颗粒的性质，我们确定了斯托克斯数（St）-而不是流体中颗粒的浮力-作为控制接近松散堆积极限的参数。在阈值St处达到松散填料极限，在该阈值St处，撞击在填料上的颗粒的动能被流体完全耗散。因此，对于无粘性颗粒，沉积过程的动力学，而不是静态堆积的稳定性，决定了随机松散堆积的极限。本文对流体中颗粒间摩擦力进行了直接测量，并给出了松装体积分数RLP随摩擦系数μ s变化的实验测量结果。
2010-05-05 cond-mat.soft
Long-Range Anomalous Decay of the Correlation in Jammed Packings
我们数值研究的相互作用发生在三维系统的硬球在堵塞，专注于大尺度的行为。鉴于他们发挥的基本作用，在配置堵塞包装，我们分析了传播通过系统的弱力和变化的协调数相对于均衡条件$ΔZ$。我们表明，这些相关性可以成功地探测通过引入一个关联函数加权密度-密度波动。这种分析的结果可以通过引入基于颗粒之间的接触点的系统的表示来进一步改进。特别是，我们发现的证据表明，弱力和$ΔZ$波动支持的假设随机堵塞包装的球形粒子超均匀的表现出异常的长程衰变。此外，我们发现的大尺度结构的密度-密度相关性表现出一个复杂的行为，由于叠加的两个指数阻尼振荡信号传播的线性依赖的频率。
2021-07-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Characterization of Maximally Random Jammed Sphere Packings: II. Correlation Functions and Density Fluctuations
在本系列的第一篇论文中，我们引入了Voronoi关联函数来描述最大随机阻塞（MRJ）球填充的结构。在本文中，我们确定了各种关联函数，可以严格相关的有效物理性质的MRJ球包装和比较它们的重叠领域和平衡硬球系统的相应的统计描述符。这种结构描述符出现在严格的边界和公式的有效传输特性，扩散和反应常数，弹性模量，和电磁特性。首先，我们计算两点，表面空隙，表面表面关联函数，我们推导出明确的分析公式有限硬球包装。我们分析表明，如何在MRJ填充球之间的接触转化为不同的功能行为，这些两点关联函数，不出现在其他两个模型在这里检查。然后，我们展示了谱密度如何将MRJ堆积与其他无序系统区分开来，因为谱密度在无限波长的极限处为零。这些填料是超均匀的，这意味着在大尺度上的密度波动被抑制。此外，我们研究和计算排斥概率和孔径分布以及局部密度波动。我们猜想，对于一般的无序硬球填充，一个中心极限定理持有的球形观察窗口内的点的数量。我们的分析将材料科学，化学，物理和数学中感兴趣的问题联系起来。在第三篇论文中，我们将评估边界和估计主机的不同的物理性质的MRJ球填料的结构特征的基础上，本文分析。
2016-09-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The role of curvature anisotropy in the ordering of spheres on an ellipsoid
非球形乳液液滴可以通过吸附在其表面的密集堆积的胶体颗粒来稳定。为了理解这些表面堆积的微观结构，硬球在椭球表面上的有序性通过大规模计算机模拟来确定。在包装中的缺陷一般是最经常发生在强曲率的区域，然而，缺陷和曲率之间的关系是不平凡的，和缺陷的分布显示足够高的纵横比的椭球的第二个最大值。与球形表面上的填充一样，拓扑结构所需之外的其他缺陷被观察为链或“疤痕”。然而，过渡点，被发现软化的各向异性曲率，也部分定向的疤痕。一个丰富的图书馆的对称相称的包装被确定为低粒子数。我们通过实验验证了不同纵横比的椭圆形液滴可以被表面吸附的胶体逮捕。
2015-04-15 cond-mat.soft
A method for dense packing discovery
尽可能密集地填充粒子系统的问题是离散几何领域的基础，也是材料和生物科学中的一个强大模型。随着填充问题从解析构造的解决方案范围内撤退，进行\textit{de novo}（从头开始）搜索密集填充的有效数值方法的重要性变得至关重要。在本文中，我们使用\textit{divide and concur}框架，发展了一个通用的搜索法的周期约束问题的解决方案，我们把它应用到发现密集周期包装。该方法的一个重要特点是将晶胞参数与组态空间定义中的其他填充变量相结合。我们提出的方法导致了[arXiv：0910.5226]中报道的最密集的已知四面体堆积的改进。在这里，我们使用的方法来重现dennies已知的晶格球包装和最知名的晶格接吻安排分别在14和11维（第一个这样的数字证据，他们的最优性，在这些方面）。对于非球形粒子，我们报告了一个新的密度为$ϕ=128/219\approx0.5845$的规则四维单形的稠密堆积，并具有与已知的四面体堆积类似的结构。
2010-08-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math.MG
Packing fraction of clusters formed in free-falling granular streams based on flash X-ray radiography
我们研究了使用闪光X射线照相术的球形和不规则形状的颗粒的自由落体流的集群的包装分数。簇的估计包装分数是足够低，对应于配位数小于6。数值模拟中的这种配位数对应于碰撞和生长而不反弹的聚集体。此外，不规则颗粒的流演化更快，并形成具有较低的填充分数的较大尺寸的集群。颗粒流的这一结果表明，颗粒形状对颗粒材料的团聚过程有显着的影响。
2021-03-09 astro-ph.EP cond-mat.soft
Stress-induced ordering of two-dimensional packings of elastic spheres
受限环境中颗粒的堆积是多个领域共同面临的问题。本文基于二维Hertzian粒子模型，研究了可变形球形粒子在压缩条件下的堆积，揭示了应力作为有序场在调节粒子排列中的重要作用。具体地说，在增加的压缩，压缩粒子自发地组织成规则的包装在三角形和正方形晶格，五边形镶嵌，和凹进三角形晶格的顺序。丰富的有序模式和复杂的结构，在这项工作中揭示了一个富有成效的组织战略的基础上的相互作用的外部应力和内在的弹性不稳定性的颗粒阵列。
2020-06-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Protocol dependence of the jamming transition
我们提出了一个理论框架，用于预测通过纯粹排斥接触力相互作用的无摩擦球形粒子的堵塞转变的协议依赖性。我们研究了通过两个协议：各向同性压缩和简单剪切等静压堵塞盘填料。我们表明，无摩擦系统，所有堵塞的包装可以通过任何协议。然而，获得特定堵塞包装的概率取决于包装生成协议。我们预测的平均剪切应变诱导堵塞在最初未堵塞填料从测量的概率堵塞在包装分数$ϕ$从各向同性压缩。我们比较我们的预测干扰的数值模拟结果，并找到定量协议。我们还表明，包装分数的范围内，应变引起的干扰发生，趋于零的大系统限制无摩擦填料过阻尼动态。
2016-01-15 cond-mat.soft
The Link Between Packing Morphology and the Distribution of Contact Forces and Stresses in Packings of Highly Non-Convex Particles
颗粒填料上的外部载荷通过颗粒接触的异质网络在内部分布。这种接触力分布决定了颗粒堆积和所得结构的稳定性。在这里，我们调查的高度非凸颗粒在二维（2D）和三维（3D）包装的包装中的接触力分布的均匀性。一种新发展的离散元方法被用来模拟非凸的不同球形颗粒的包装。我们的研究结果表明，在3D包装的正常方向上的接触力的分布变得越来越不均匀，减少颗粒球形。然而，在2D填料的接触力分布是独立的颗粒球形度，表明在2D填料中获得的结果不能很容易地外推到3D填料。径向分布函数（RDFs）表明，在3D包装的结晶度随颗粒球形度降低。我们链接的接触力分布的均匀性下降的结晶度下降的3D填料。这些研究结果是补充之前观察到的接触力分布的不均匀性和由于球形颗粒的多分散性增加而导致的堆积结晶度降低之间的联系。
2020-12-21 cond-mat.soft
The structural, vibrational, and mechanical properties of jammed packings of deformable particles in three dimensions
该研究探究三维可变形颗粒阻塞堆积的特性，发现弯曲能的有无会显著影响振动模式、等静压性及剪切模量与压强的标度关系，强调了颗粒形变和形状变化对软材料建模的重要性。
2021-08-22 cond-mat.soft
Packing of Compressible Granular Materials
采用三维数值模拟和实验相结合的方法，研究了可压缩球形颗粒在外部围压作用下的随机堆积问题。特别令人感兴趣的是刚性球极限，我们将其描述为一个连续的过渡，其中所施加的应力为（ε-ε_c）^β，其中ε是（固相）体积密度。这种转变与剪切刚度的开始相一致。例如，颗粒之间的相互作用是仅通过法向力（产生随机紧密堆积）还是通过法向力和摩擦力的组合产生横向力（产生随机松散堆积）。在这两种情况下，在过渡附近，系统的响应由局部力链控制。随着压力的增加，我们在（1）参与数，（2）平均力分布和（3）可视化技术方面描述了系统的演变。
2000-02-07 cond-mat.soft
Impact of Interaction Range and Curvature on Crystal Growth of Particles Confined to Spherical Surfaces
当胶体颗粒在球形模板上形成晶相时，它们的堆积由它们之间的有效相互作用和弯曲生长晶体的弹性应变决定。例如，如果生长在适当的条件下开始，并且形成的圆形晶体达到临界尺寸，则通过引入缺陷以减轻弹性应变来继续生长。最近，实验发现，如果缺陷的形成是不可能的，晶体反而继续生长在从原始晶体突出的带状物中。在这里，我们报告的计算机模拟中，我们观察到在短的相互作用范围和包装，将缺陷，如果相互作用是长程的形成的丝带。带状物只有在超过某个临界晶体尺寸时才会形成，低于该尺寸时，晶核大致呈球形。我们发现临界晶体尺寸的缩放与Manoharan小组提出的略有不同，原因是实际过程是在大致圆形晶体顶部的带状物的两步非均质成核。
2017-03-02 cond-mat.soft
Exact Constructions of a Family of Dense Periodic Packings of Tetrahedra
正四面体（五种柏拉图立体之一）的密排包装的确定正引起人们的极大关注，包装记录被打破的速度之快和出现的迷人的包装结构证明了这一点。在这里，我们提供了最一般的分析配方，以构建致密的周期性包装的四面体与四个基本细胞的粒子。这种分析的结果在六个参数的家庭密集四面体包装，包括作为特殊情况下，最近发现的“二聚体”包装的四面体，包括已知的密度为$ϕ= 4000/4671 = 0.856347...$的密集包装。这项研究强烈地表明，后一组包装是所有包装与四粒子的基础。在所有的填充中，它们是否是四面体的密集填充是一个悬而未决的问题，但我们对这个问题给出了一些评论。此外，我们描述了一个程序，提供估计的最大密度的四面体包装，这可能有助于评估候选密集包装的包装效率的上限。
2010-04-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math.MG
Jamming in Systems Composed of Frictionless Ellipse-Shaped Particles
我们研究了堵塞的椭圆填料的结构和力学性质，发现这些系统中的堵塞过渡的性质是根本不同的球形颗粒。椭圆形填充是一种具有比约束多的自由度的实体填充。低能激发谱在一定的长径比范围内具有两个能隙和三个不同的分支。在零压缩极限下，最低支模的能量随变形幅度{ \it四次方}增加，态密度在零频率下具有$δ$函数.我们确定的缩放关系，崩溃的低频部分的频谱不同的纵横比。最后，我们发现实静性的程度取决于堆积的四次模的数目。
2008-12-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Three-dimensional compaction of soft granular packings
采用三维非光滑接触动力学模拟方法，分析了由软（弹性）球形颗粒组成的组件在堵塞状态之后的压实行为。粒子的组件的特征在于使用的包装分数，配位数，和冯米塞斯应力分布的粒子内的围压增加的演变。堆积分数增加并趋向于接近$1$的最大值，并且平均配位数作为堆积分数的平方根而增加。随着围压的增加，观察到的过渡从一个粒状材料的剪切应力分布的指数尾巴的连续的材料，其特征在于高斯样分布的剪切应力。我们开发了一个方程，描述了作为所施加的压力的函数的填充分数的演变。这个方程，基于颗粒应力张量的微观力学表达，赫兹接触定律的小变形的限制，以及填充分数和颗粒的协调之间的幂律关系，提供了良好的预测从堵塞点到非常高的密度，而不需要调整任何参数。
2021-08-27 cond-mat.soft
Packing, alignment and flow of shape-anisotropic grains in a 3D silo experiment
颗粒状材料流过瓶颈，如筒仓开口，往往会堵塞并抑制进一步流动。我们研究了这种现象，在一个三维漏斗的球形和形状各向异性的颗粒通过X射线层析成像。X射线断层图像提供了有关颗粒填料体积的信息，并允许确定筒仓内的颗粒位置和方向。此外，它还可以计算容器不同部分的局部堆积密度。我们发现，在筒仓的流动区的颗粒显示出一个优先取向，从而更高的秩序。与简单剪切流相似，颗粒的平均取向并不平行于流线，而是与流线成一定的夹角，在料斗的大部分区域，颗粒的角分布没有达到稳态剪切流时的分布，因此料斗内颗粒的平均取向角偏离流线的程度比稳态剪切流时更大。在筒仓的流动部分剪切引起的膨胀观察，这是更明显的细长颗粒比近球形颗粒。堵塞状态的特征在于一个圆顶，即。e.阻止流出的颗粒层的几何形状。圆顶的形状取决于颗粒的形状。
2016-09-09 cond-mat.soft
Computer simulation of random loose packings of micro-particles in presence of adhesion and friction
采用一种新的三维离散元方法，研究了均匀球形微米级颗粒的随机松散堆积问题。结果表明，在其他参数一定的情况下，大的速度、大的尺寸或弱的粘附作用都能产生相对致密的堆积，这些综合作用可以用无量纲粘附参数（$Ad=ω/2ρ_pU^2_0R$）来表征。基于$Ad$的值确定了四种方案：使用$Ad<\sim 0.01$的RCP方案;使用$\sim 0.01<Ad<1$的RLP方案;使用$1<Ad<20$的粘附方案和使用$Ad>20$的渐进方案。这些粘性松散填料的力分布分别遵循$P(f)\sim f^θ$（小力）和$P(f)\sim \exp^{-βf}$（大力），其形式与无粘性填料相似，但导致不同的$θ=0.879$、$β=0.839$指数。局部力学平衡分析表明，附着力提高了滑动和滚动阻力，因此需要更少的邻居来满足力和扭矩平衡。
2015-11-07 cond-mat.soft
Shear response of granular packings compressed above jamming onset
研究了无摩擦、排斥的球形颗粒在受到各向同性压缩时的力学响应。软颗粒模型的先前模拟，其中排斥相互作用在颗粒间重叠中按幂律缩放，指数为$α$，已经发现整体平均剪切模量$\langle G \rangle$随着压力$P$增加，在大压力下为$\sim P^{(α-3/2)/(α-1)}$。然而，对这种标度行为缺乏深入的理论理解。我们表明，无摩擦，球形颗粒的堵塞包装的剪切模量有两个关键的贡献：1）连续变化的压力沿几何家庭的函数，其中颗粒间的接触网络不改变，和2）不连续的跳跃在压缩过程中所产生的接触网络的变化。我们发现，剪切模量的第一个几何家庭堵塞填料可以崩溃到一个主曲线：$G^{(1)}/G_0 = (P/P_0)^{(α-2)/(α-1)} - P/P_0$，其中$P_0 \sim N^{-2(α-1)}$是一个特征压力，分开两个幂律标度区域和$G_0 \sim N^{-2(α-3/2)}$。当接触网络中的变化附近存在显著的非仿射粒子运动时，可能会发生与这种形式的偏差。我们进一步表明，$\langle G (P)\rangle$不是简单的两个幂律的总和，但$\langle G \rangle \sim (P/P_c)^a$，其中$a \approx (α-2)/(α-1)$在$P \rightarrow 0$限制和$\langle G \rangle \sim (P/P_c)^b$，其中$…
2020-09-24 cond-mat.soft
The Roles of Size, Packing, and Cohesion in the Emergence of Force Chains in Granular Packings
本研究通过计算模拟双分散颗粒系统在单轴压缩下的行为，探讨了颗粒尺寸差异、堆积规则性及内聚力对力链形成的影响，发现尺寸差异在规则堆积中促进力链形成但增大时导致无序和载荷集中，而内聚力增加则普遍减少力链。
2025-03-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Jamming transition in non-spherical particle systems: pentagons vs. disks
本文研究了准二维颗粒材料在准静态单轴压缩作用下的阻塞转变。我们报告了六个主要的研究结果的基础上与单分散光弹性颗粒的静摩擦系数$μ\approx 1$的实验。(1)对于五边形和磁盘，刚度的发病时发生的平均配位数的非响尾蛇，$Z_{nr}$，达到3，和依赖性的$Z_{nr}$上的包装分数$ϕ$再次改变时，$Z_{nr}$达到4。(2)虽然在这些转变处的填充分数$ϕ_{c1}$和$ϕ_{c2}$在运行之间不同，但是对于两种形状，当绘制为非rattler分数的函数时，来自具有不同初始配置的所有运行的数据塌陷。(3)五边形的$ϕ_{c1}$和$ϕ_{c2}$的平均值比圆盘的小约1%。(4)在相同的参数下，阻塞的五边形和圆盘都表现出Voronoi单元面积的Gamma分布。(5)堵塞的五边形有类似的颗粒中心的平移顺序，但略低于定向顺序接触对相比，堵塞的磁盘。(6)对于拥挤的五边形，在一个面到顶点的接触点的边缘之间的角度显示出一个均匀的分布和面对面的接触连接的集群的大小显示出幂律分布。
2019-06-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Compaction of Rods: Relaxation and Ordering in Vibrated, Anisotropic Granular Material
我们报告的实验，以测量的时间和空间演变的各向异性，圆柱形颗粒状材料的包装安排，使用高分辨率电容监测。在这些实验中，颗粒的配置开始从一个最初的无序，低包装分数的状态，并在垂直振动下发展到一个密集的，高度有序的，在其中的长颗粒轴与垂直管壁对齐的状态。我们发现，取向有序的过程是反映在一个特性，急剧上升的地方包装分数。在包装内部的任何给定高度，排序从容器壁开始并向内进行。我们探索的本地以及高度平均的包装分数作为振动参数的函数的演变，并比较我们的结果进行松弛实验球形颗粒状材料。
2000-02-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effects of grain shape on packing and dilatancy of sheared granular materials
暴露于剪切的颗粒材料显示出各种独特的现象：雷诺数，位置顺序和取向顺序的影响可能会在剪切区竞争。我们研究了由宏观扁长形，扁圆形和球形颗粒组成的颗粒填料，并比较了它们的行为。利用X射线层析成像技术确定了圆柱形剖分底部剪切室内颗粒的位置和取向。填充密度和剪切区中的单个颗粒的安排进行了评价。对于不等轴粒子，我们观察到两个相反的效果的竞争。一方面，被剪切的粒子被扩张，但另一方面，粒子相对于流线重新定向和排列。尽管对齐的圆柱体原则上可以实现更高的填充密度，但这种对齐仅部分地补偿了不均匀性的影响。复杂的重排导致在良好取向区域上方的表面凹陷，而邻近部分仍然显示出以堆形式的膨胀效应。对于具有各向同性形状的颗粒，表面保持相当平坦。完美的单分散球结晶在剪切区，从而位置顺序部分过度补偿的双折射效应。然而，已经与理想的单分散球体形状的轻微偏差抑制结晶。
2014-06-05 cond-mat.soft
Exceptionally Dense and Resilient Polydisperse Disk Packings
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；University of Illinois, Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究多分散盘堆叠在jamming过渡中的结构和能量特性，提出新算法构建过饱和状态，发现高临界堆叠分数状态能承受显著剪切应变。
2024-02-17 cond-mat.soft
Origin of Non-cubic Scaling Law in Disordered Granular Packing
最近的金属玻璃衍射实验揭示了密度与平均原子间距之间的非立方标度律，这导致了对分形玻璃有序存在的猜测。使用X射线层析成像，我们在这里确定了一个类似的非立方标度律在无序颗粒堆积的球形颗粒。我们发现标度律与第一近邻壳层内的接触近邻直接相关，因此与干扰现象密切相关。由于接触数在6左右的均衡条件，出现了看似普适的标度指数2.5，我们认为该指数不应该是普适的。
2017-05-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Statistical theory of correlations in random packings of hard particles
硬颗粒的随机堆积代表了颗粒物质的基本模型。尽管它的重要性，分析建模的随机填料仍然很困难，由于存在很强的相关性，排除了一个简单的理论的发展。在这里，我们从液体理论的灵感为$n$ -粒子角关联函数开发的硬颗粒的随机包装从自下而上的形式。在高阶关联的柯克伍德近似下，粒子壳的渐进展开收敛于大层极限。我们应用的形式主义的硬盘和预测的密度的二维随机紧密包装（RCP），$ϕ_{\rm rcp} = 0.85\pm0.01$，和随机松散包装（RLP），$ϕ_{\rm rlp} = 0.67\pm0.01$。我们的理论还预测了相图和角关联函数，与实验和数值数据吻合得很好。
2014-05-10 cond-mat.soft
A discrete model for the apparent viscosity of polydisperse suspensions including maximum packing fraction
基于一个建设过程的概念，包括颗粒的纯流体的逐步添加，离散模型的表观粘度，以及为多分散悬浮液的球形，非胶体颗粒的最大包装分数的推导。该模型连接的方法由Bruggeman和法里斯，是有效的连续颗粒类在施工过程中的大尺寸比，似乎是第一个模型一致地描述多分散体积分数和最大包装分数在一个单一的方法。在这方面，一致列入有效介质模型的最大包装分数进行了讨论。此外，新的广义形式的著名的Quemada和Krieger方程允许选择的二阶泰勒系数的体积分数（$ϕ^2$ -系数），发现渐近匹配，提出。最大填充分数的模型，以及完整的粘度模型进行了比较，从文献中的实验数据显示出良好的协议。结果表明，对于大直径比，新模型可以取代经验Sudduth模型。该模型的扩展到小尺寸比的情况下是留给未来的工作。
2014-02-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Geometrical properties of rigid frictionless granular packings as a function of particle size and shape
采用三维离散数值模拟方法研究了密排无摩擦颗粒集合体的性质与颗粒多分散性和形状的关系。与某些实验结果不同的是，模拟结果表明，轴面体（八面凸多面体）的无序堆积比球形或圆形颗粒的无定形堆积具有更高的固体分数值，从而满足了焦和同事对随机堆积的Ulam猜想的类似[Y. Jiao和S. Torquato，Phys. Rev. E $\textbf{84}$，$041309$（$2011$）]。实验结果和数值结果之间的这种表面差异被认为是由于通过实验致密化过程克服颗粒间摩擦的困难。此外，固体分数被证明是进一步增加的双分散性和峰值时，小颗粒的体积比例达到$30\%$。另外，用高达$50\%$的扁平轴面代替等距轴面，固体分数降低，特别是当扁平颗粒也被拉长时。然而，与多分散性相比，颗粒形状似乎对填充固体分数起次要作用。对填料微观结构的进一步研究证实，轴面填料满足均衡猜想，并且除了在填料中平面或平面-细长多面体的$30$到$50\%$之外，它们是自由有序的。这种有序度的逐渐增加是由扁平或扁平细长颗粒的重新取向引起的有序相的形式，以使堆积势能最小化。同时，这种重新取向似乎增加了固体分数值略高于单分散等距pinacoids实现的最大值，以及配位数。最后，部分替代的细长轴面等距的堆积固体分数或秩序的影响有限。
2017-06-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The configurational entropy of colloidal particles in a confined space
用蒙特卡罗积分方法计算了受限几何中胶体粒子作为硬盘相互作用的构型熵。特别是，我们考虑系统的三种边界条件：硬，周期和球形。当填充分数$ϕ$较小时，随着颗粒数$N$的增加，周期性边界条件和球形边界条件下系统的颗粒熵趋于相同，而硬边界条件下系统的颗粒熵在所研究的$N$范围内与它们相比仍有明显差异.令人惊讶的是，尽管小的系统尺寸，在无限大的系统尺寸从外推的周期性和球形系统的估计熵每粒子是在合理的协议与使用热力学积分方法计算。此外，随着$N$的增加，我们发现对关联函数开始表现出类似于大的自组装系统在相同的包装分数的功能。我们的研究结果可能有助于更好地理解构型熵如何随系统尺寸和边界条件的影响而变化，并为受限空间中的工程粒子提供相关见解。
2022-04-30 cond-mat.soft
Kinetic Frustration Effects on Dense Two-Dimensional Packings of Convex Particles and Their Structural Characteristics
硬颗粒堆积的研究在物理学、化学、细胞生物学和离散几何学中具有重要意义。以前关于硬颗粒填料的许多工作都是关于它们可能的排列。相比之下，我们研究动力学效应不可避免地存在于数值和实验包装协议。具体来说，我们确定如何改变压缩/剪切速率的二维包装的非圆形颗粒导致它偏离其denominable可能的配置，这总是周期性的。自适应收缩细胞（ASC）优化方案最大化的硬颗粒填料的包装分数，首先应用随机平移和旋转的颗粒，然后各向同性压缩和剪切的模拟箱反复，直到可能堵塞的状态达到。我们使用随机实施的ASC优化方案，通过改变压缩/剪切之间的粒子移动的数量来模拟不同的有效时间尺度。我们生成了致密的、有效堵塞的、单分散的、钝角不等边三角形、菱形、弯曲三角形、透镜和“冰淇淋锥”（嫁接到等腰三角形上的一个椭圆形）形状的颗粒的二维填充，具有广泛的填充分数和有序度。为了量化这些动力学效应，我们引入了动力学挫折指数$K$，它测量了填料与其最大可能填料分数的偏差。为了研究动力学如何影响这些包装中的短程和长程有序，我们计算了它们的光谱密度并表征了它们的接触网络。我们发现，动力学效应是最显着的粒子时，有较大的非球面性，曲率较小，旋转对称性较低。这项工作可能是相关的实验室包装协议的设计。
2021-03-10 cond-mat.soft
Void distributions reveal structural link between jammed packings and protein cores
球状蛋白核心中疏水残基的密集堆积决定了它们的稳定性。最近，我们已经表明，蛋白质核心具有填充分数$ϕ\approx 0.56$，这是相同的密集，随机堆积的氨基酸形状的颗粒。在这篇文章中，我们比较了蛋白质核心和堵塞包装的氨基酸形状的颗粒在更大的深度，通过测量其本地和连接的空隙区域的结构特性。我们发现，在这两个系统中的表面Voronoi细胞体积和局部孔隙率的分布服从相似的统计。我们还测量的概率，可访问的，连接的空隙区域作为一个功能的球形探针粒子的大小渗透，并表明这两个系统具有相同的临界探针大小。通过测量临界指数$τ$，我们发现在氨基酸颗粒和蛋白质核的堆积中的空隙渗流属于同一普适类，这不同于在堵塞的球形堆积中的空隙渗流.我们建议，蛋白质的连接空隙区域是蛋白质的定义特征，并且可以用于区分实验观察到的蛋白质与使用计算蛋白质设计软件生成的诱饵结构。这项工作强调，堵塞包装的氨基酸形状的颗粒可以作为蛋白质核心的结构和机械类似物，因此可能是有用的，在模拟蛋白质核心的响应腔扩大和减少突变。
2018-10-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Isostaticity at Frictional Jamming
无摩擦球形颗粒的非晶填料在堵塞开始时是等静压的，约束（接触）的数量等于自由度的数量。它们的结构和力学性能由颗粒间的接触网络控制。相比之下，摩擦颗粒的无定形填料在堵塞开始时通常是超静定的。我们进行了广泛的数值模拟，在二维的几何粗糙（GA）模型的静摩擦，进一步研究均衡的作用。在GA模型中，颗粒间的力是通过将接触颗粒上周期性间隔的圆形微凸体之间的纯排斥中心力相加得到的。我们比较的包装分数，接触数，动员分布和振动密度的状态，使用GA模型产生的Cundall-Strack（CS）的方法。我们发现，从GA模型获得的摩擦盘静态填料是机械稳定和均衡的，当我们考虑接触颗粒上的微凸体之间的相互作用。作为静摩擦系数的函数，静态填料的结构和机械性能从无摩擦到摩擦行为的交叉与颗粒间接触类型的变化和GA模型的振动模式密度峰值的消失相一致。这些结果强调了细观尺度特征的模型静摩擦发挥了重要作用，在确定性能的颗粒填料。
2013-05-11 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
