Stress transmission in granular matter
通过一个无序的颗粒系统的力的传输研究的几何拓扑的方法，减少到一组层的颗粒包装。这种分层结构构成了力链的骨架。给定颗粒堆积和施加力的区域，这样的骨架是唯一定义的。在这个框架内，我们写了一个方程的垂直力的传输，可以解决递归层逐层。我们发现这个方程的一类特殊的解析解是Lévi稳定分布。我们讨论了临界性和脆弱性之间的联系，我们展示了如何无序包装自然诱导力链和拱门的形成。我们指出，关键政权，幂律分布，与粗糙度的拓扑层。然而，脆性与局部颗粒重排或所施加的力的变化引起的力网络中的局部变化有关。结果进行了比较，最近的实验观察颗粒物和计算机模拟。
2001-12-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
A topological method to characterize tapped granular media from the position of the particles
我们使用复合体的第一个Betti数来表征颗粒样品在力学平衡下的形态结构。我们分析了二维颗粒填料后，攻丝过程中通过模拟和实验。在引入过滤参数后，区分具有不同敲击强度获得的相等填充分数的状态，该过滤参数确定由边缘连接的颗粒（网络中的节点）。我们首先使用数值模拟来表征通过人为地在该幅度中添加不同级别的噪声来对粒子定位的精度的影响。然后将模拟得到的结果与实验结果进行比较，从而明确区分具有相同密度的实验填料。这是通过仅使用粒子的位置而不使用关于可能的接触或力的大小的其他信息来实现的。
2013-11-06 cond-mat.soft
The hierarchical properties of contact networks in granular packings
研究了密度为0.58 - 0.64的无序堆积单尺寸球体的大样品的颗粒间接触网络（接触网络）的拓扑结构。这种结构的层次组织研究的拓扑地图，从一个给定的球开始，并通过接触网络在同心壳向外移动。我们发现，无序球堆积的拓扑密度大于等价的格点球堆积的拓扑密度。
2005-04-14 cond-mat.soft
Topological constraints suppress shear localization in granular chain ensembles
Indian Institute of Science（印度科学学院）
本研究通过颗粒链集合实验和模拟，揭示拓扑约束抑制剪切局部化并增强剪切硬化，为理解颗粒流变特性提供了新视角。
2026-02-10 cond-mat.soft
Topological signatures of collective dynamics and turbulent-like energy cascades in apolar active granular
School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院）；Institute of Natural Sciences, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学自然科学研究院）；Wilczek Quantum Center, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院吴文俊物理学中心）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究中心）
研究揭示了无向活性颗粒流体中拓扑缺陷与湍流样能量级联的关联，展示了拓扑方法在非平衡动态中的应用。
2025-09-01 cond-mat.soft
Topological Methods for Polymeric Materials: Characterizing the Relationship Between Polymer Entanglement and Viscoelasticity
我们开发了拓扑方法来表征聚合物链缠结和体粘弹性响应之间的关系。我们引入了适用于开线性链的广义连接数和Writhe特征。我们调查的流变学的聚合物链纠缠成编织不同的拓扑结构和水平的链密度。为了研究粘弹性响应，我们使用剪切Lees-Edwards边界条件在一定频率范围内进行非平衡分子模拟。我们展示了我们的拓扑特性可以用来捕捉的粘弹性响应相关的聚合物缠结的关键功能。我们发现在一个显著的频率范围内，平均绝对Writhe $Wr$和损耗正切$\tan(δ)$之间存在线性关系。我们还发现平均绝对周期链接数$LK_P$和损耗角正切$\tan(δ)$之间存在近似的逆线性关系。我们的研究结果表明，拓扑方法可以用来表征链缠结，以更好地了解聚合物材料中的机械响应的起源的一些方式。
2019-01-30 cond-mat.soft
Shape dependence of resistance force exerted on an obstacle placed in a gravity-driven granular silo flow
通过实验和数值模拟，研究了重力驱动的料仓慢速流动中障碍物所受的阻力。在二维颗粒筒仓中，在出口上方放置障碍物。通过调节出口宽度和障碍物的位置，可以控制出口流量。在颗粒排放过程中，测量流速和施加在障碍物上的阻力。利用所获得的数据，由排出流量与阻力-力减小率之间的关系定义了表征颗粒流中力平衡的无量纲数。无量纲数与流速无关。相反，我们发现了无量纲数的弱形状依赖性。这种趋势是颗粒筒仓流动阻力的一个独特特征。它表征了颗粒料仓流动中与障碍物相互作用的有效流动宽度。
2018-05-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Alignment and anisotropy of stresses in disordered granular media
本文提出孤立颗粒簇的最小力平衡模型，结合成对约束预测硬球堆积的应力排列，并在料斗和简单剪切模拟中得到定量验证。
2025-06-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Non-local physics-informed neural networks for forward and inverse solutions of granular flows
Northeastern University（东北大学）
本文提出基于PINNs的非局部模型，用于准确求解颗粒流的正向和反向问题，通过数据驱动方法推断材料参数和流场特性。
2026-02-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.flu-dyn
Robophysical study of jumping dynamics on granular media
要表征侵入沙和土壤的可变形物体上的力，需要了解这些基底的固体和流体响应及其对物体状态的影响。对干颗粒介质中侵入的最详细研究表明，固定形状物体在自由撞击（如炮弹）和被迫缓慢穿透期间的相互作用可以用流体静力和流体动力来描述。在这里，我们研究一类新的颗粒相互作用：通过被动和主动手段改变形状（自变形）的对象的快速入侵。一个简单的弹簧质量机器人跳跃干燥的粒状介质的系统研究表明，跳跃性能的非线性摩擦和流体动力阻力的相互作用，以及诱导的附加质量（未计入传统的入侵模型）的特点是由一个快速凝固的区域的颗粒加速的脚解释。一个模型，将这些动态显示，增加的质量降低了性能的某些自变形，由于在推离过程中的最佳时机的转变。我们的系统robophysical实验揭示了新的软物质物理和机器人的自我变形和控制的原则，它们共同提供了在可变形的陆地环境中的运动原理。
2015-12-17 cond-mat.soft
Granular Response to Impact: Topology of the Force Networks
入侵者对颗粒物质的影响导致介观力网络的形成，在最近用光弹性粒子进行的实验中特别清楚地看到，Clark等人，物理学评论快报，114 144502（2015）。这些力网络的特点是结构复杂，并在快速的时间尺度上演变。虽然已知颗粒系统中的总光弹性活动与入侵者的加速度相关，但尚不知道力网络的结构在撞击期间如何演变，以及网络中是否存在可用于描述入侵者动态的主导特征。在这里，我们使用拓扑工具，特别是持久的同源性，来描述这些功能。持久的同源性允许量化的结构和时间演变的结果力网络。我们发现，有一个明确的相关性的入侵者的动态和一些拓扑措施的实施。这一发现使我们能够讨论在试图描述入侵者的动力学时，力网络的哪些属性是最重要的。关于网络的时间演化，我们能够定义网络演化的相关时间尺度的上界。
2017-09-20 cond-mat.soft
Topology of Force Networks in Granular Media under Impact
我们研究了二维颗粒材料实验系统在冲击下力网络的演化。我们使用第一贝蒂数，$β_1$，和持久性图，作为力网络的拓扑性质的措施。我们发现，网络的结构有一个复杂的，滞后的依赖于入侵者的加速度和颗粒状材料的总力响应。$β_1$还可以区分力网络的非线性形成和松弛。此外，使用的持久性图的力网络，我们表明，在力网络中的环的大小有一个泊松分布，其特征尺寸的变化过程中的影响。
2017-09-06 cond-mat.soft
Nonlinear elastic stress response in granular packings
我们研究了一个二维材料的非线性弹性响应的局部边界力，特别是了解各向同性颗粒材料和那些与六方各向异性之间观察到的差异的目标。修正经典Boussinesq结果的应力在一个无限的半空间的线性，各向同性材料的开发在幂级数的反距离的应用点的力。连续介质理论的顺序的晶粒尺寸的尺度上的故障建模与表征诱导多极附近的外力的应用点的强度的唯象参数。我们发现，耿等关于光弹性颗粒的各向同性和六角堆积的数据可以在这个框架内拟合。拟合的六角形填料需要选择的弹性系数与六角形各向异性强于一个简单的球和弹簧模型。对于各向同性和六边形的情况下，诱导偶极子和四极项产生传播的应力远离垂直方向在短距离内。产生六方各向异性的非线性显著增强了这种传播的规模。
2007-12-18 cond-mat.soft
Network Analysis of Particles and Grains
颗粒材料中的颗粒和力的排列在多个空间尺度上具有复杂的组织，其范围从局部结构到中尺度和系统范围。这种多尺度组织可以影响材料在暴露于外部扰动或载荷时的响应或重新配置方式。粒子水平，力链，域和散装性质的理论研究需要适当的物理，数学，统计和计算框架的发展和应用。传统上，粒状材料已被调查使用颗粒或连续模型，其中每一个往往是隐含的不可知论多尺度组织。最近，来自网络科学的工具已经成为探测和表征复杂系统中不同尺度的异构体系结构的强大方法，并且各种方法已经产生了对颗粒材料的迷人见解。在本文中，我们回顾了基于网络的方法来研究颗粒物质的工作，并探讨了这种框架的潜力，以提供一个有用的描述这些系统，并加强其基础物理的理解。我们还概述了一些悬而未决的问题，并强调特别有前途的未来方向的分析和设计的颗粒物质和其他种类的材料网络。
2017-12-11 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft math.AT
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
Cooling of a lattice granular fluid as an ordering process
我们提出了一个新的颗粒介质微观模型来研究动力学关联的作用和空间秩序的发病引起的相互作用的非弹性。尽管它的简单性，它的特点是在颗粒材料中观察到的丰富现象学的几个不同方面，并允许与统计力学的其他主题，如扩散过程，域生长，持久性，老化现象。有趣的是，虽然由最大波长波动控制的局部观测值似乎表明了一种纯粹的扩散行为，但空间扩展结构和拓扑缺陷（如涡旋和激波）的形成揭示了一种更复杂的情况。
2001-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Friction and Pressure-Dependence of Force Chain Communities in Granular Materials
粒状材料通过力链网络传递应力。尽管这些链对表征系统的应力状态和动力学很重要，但没有通用的框架来量化它们的属性。最近，注意力转向网络科学的工具，作为一个有前途的路线，这样的描述。在本文中，我们应用社区检测技术的数值生成的填充球在一个范围内的颗粒间摩擦系数和围压。为了提取链状特征，我们使用模块化最大化与最近开发的地理零模型\cite{Bassett2015}，并优化技术，通过最小化检测到的社区的规范化凸包检测分支结构。我们通过力链社区的大小（粒子数量）、网络强度（内力）和归一化凸壳比（稀疏性）来表征力链社区。我们发现，前两个表现出近似线性相关，因此在很大程度上是多余的。对于压力$P$和颗粒间摩擦$μ$，我们观察到行为的交叉。对于$μ\lesssim 0.1$，填料表现出更高的压力敏感性。此外，我们确定了一个交叉压力，其中摩擦依赖开关从具有更大/强的社区在低$μ$与高$μ$。我们解释这些现象的空间分布的社区沿系统的垂直轴进行比较。这些结果为考虑颗粒系统的中尺度结构提供了新的工具，并为基于力链结构的简化描述铺平了道路。
2015-08-23 cond-mat.soft
Lift Force on a Moving Intruder in Granular Shear Flow
本文通过DEM模拟研究颗粒剪切流中球形侵入体的升力，发现其随滑移速度呈非单调变化且与流体Saffman升力方向相反，并揭示空隙区域和剪应力差异是导致该现象的关键机制。
2024-09-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Undulating compression and multi-stage relaxation in a granular column consisting of dust particles or glass beads
为了从根本上表征颗粒物质中的分级结构效应，对圆柱形单元中的粉尘颗粒和玻璃珠进行了一组压缩-松弛试验。这两种颗粒的典型直径约为1~ mm。然而，通过结合微小的（$\sim 5$ ~{ \textmu }m）玻璃珠产生灰尘颗粒。用活塞以恒定的压缩速率$v$（$0.17 \leq v \leq 2000$ ~{ \textmu }m~s $^{-1}$）压缩颗粒柱，直到达到20 N的最大载荷力。之后，停止活塞并量化松弛过程。从实验结果中，我们发现，压缩力$F$非线性增加的压缩行程$z$取决于颗粒的增加。此外，在$F(z)$上还观察到了粉尘颗粒和玻璃珠中的周期性波动和力的突然下降。松弛过程的特点是由一个指数衰减的应力，然后在两种粒子的对数依赖之一。这些实验结果是本研究的重点。为了理解控制压缩力学的基本物理，我们假设了$F(z)$的经验形式;灰尘颗粒的$F\propto z^α$和玻璃珠的$F \propto \exp(z/z_G)$（$α=2.4$和$z_G=70$ ~{ \textmu }m）。然后，我们发现周期性波动和力降的增长方式与平均压缩力的增长方式相同，即，粉尘颗粒中的幂律和玻璃珠中的指数。此外，在尘埃粒子压缩过程中，随着$v$的增加，波动幅度和波长减小。根据实验结果和尘埃颗粒与玻璃微珠的区别，讨论了波动的来源和工程上所用颗粒压缩模型的物理意义。
2021-01-26 cond-mat.soft
Stress-induced anisotropy in granular materials: fabric, stiffness, and permeability
颗粒材料的加载引起颗粒排列（织物）和材料强度、增量刚度和渗透性的各向异性。织物各向异性的13个措施的开发，这是安排在四个类别：作为首选的取向的颗粒体，颗粒表面，接触法线，和空隙空间。通过图像分析和闵可夫斯基张量描述的空隙的各向异性。加载过程中各向异性变化的十三种测量方法，由恒定平均应力下双轴平面应变压缩的三维离散元模拟确定。模拟了具有四种不同颗粒形状的组件。接触方向的措施是最敏感的加载，它们在小应变变化很大，而其他措施滞后的加载过程，并继续改变超过峰值应力的状态，甚至在偏应力几乎达到稳定状态。本文实现了一种方法，用于表征增量刚度的颗粒组件在双轴向加载，正交各向异性加载增量，保持主轴的织物和刚度张量。亚塑性切向刚度的线性部分用体积加载增量监测。该刚度在初始压缩载荷的方向上增加，但在延伸方向上减小。这种刚度的各向异性与接触织物的特定测量密切相关。渗透率在三个方向上测量与格子玻尔兹曼方法在不同阶段的加载和与四个粒子形状的组件。有效渗透率与方向平均自由程呈负相关，与孔隙宽度呈正相关。
2018-12-19 cond-mat.soft
Evolution of network architecture in a granular material under compression
当颗粒材料被压缩时，系统内的颗粒和力排列形成复杂的异质结构。力链是一个很好的例子，被认为是限制了机械稳定性和声传输等整体性能。然而，表征颗粒系统中的中尺度架构的动态性质可能是具有挑战性的。越来越多的工作表明，图论方法可以为解决这些问题提供一个有用的基础。在这里，我们扩展了目前的方法，利用多层网络作为一个框架，直接量化的压缩颗粒系统中的中尺度体系结构的演变。我们研究了一个准二维聚集的光弹性盘，通过一系列的小，准静态步骤进行双轴压缩。将粒子视为网络节点，粒子间力视为网络边缘，通过将每个应变步骤中存在的一系列静力网络连接在一起，构建了一个多层网络。然后，我们提取固有的中尺度结构的系统，通过使用一个泛化的社区检测方法，我们定义了定量的措施来表征整个压缩的重构和演变的结构。通过分别考虑法向力和切向力网络，我们发现它们表现出不同的结构演化。为了测试网络模型对粒子属性的敏感性，我们研究了该方法是否可以区分一个子系统的低摩擦粒子浴内的高摩擦粒子。我们发现，这可以通过考虑切向力的网络来实现。整个研究中讨论的结果表明，这些新的网络科学技术可以提供一种直接的方法来比较和分类数据系统在不同的外部条件下，或具有不同的物理化妆。
2016-03-29 cond-mat.soft nlin.AO
Extraction of Force-Chain Network Architecture in Granular Materials Using Community Detection
力链形成的非均匀物理结构可以限制颗粒介质的力学稳定性和声波传播。然而，尽管它们的相关性预测材料的散装性能，有没有一个力链的定量描述协议。因此，很难比较不同材料或实验条件下的力链结构。为了解决这一挑战，我们把颗粒材料作为空间嵌入式网络，其中节点（颗粒）由代表接触力的加权边连接。我们使用来自社区检测的技术，这是一种聚类，以找到紧密连接的粒子集。通过使用受粒子接触网络约束的地理零模型，我们提取了类似于力链的链状结构。我们提出了三种诊断来测量这些链状结构，我们证明了这些诊断的实用性，用于识别和表征各种材料中的力链网络架构。为了说明我们的方法，我们描述了力链结构如何依赖于两种非常不同类型的填料的压力：（1）来自实验室实验和（2）来自理想化的，数值生成的无摩擦填料。通过解析单个力链，我们量化了力链形状和强度的统计特性，这可能是对本体特性（包括材料稳定性）的关键诊断。这些方法便于不同颗粒系统之间的定量比较，无论它们是实验测量还是数值测量。
2015-04-23 cond-mat.soft nlin.AO nlin.PS
