Densest arrangement of frictionless polydisperse sphere packings with a power‑law grain size distribution

Abstract

In this work we use DEM simulations to fnd the densest packing of frictionless spheres subject to mechanical compression by changing systematically the grain size distribution (GSD). This is done by modeling the GSD as a power law and varying the GSD describing parameters: the size span and the distribution shape, while relating these parameters to the density and other micro-structural parameters. For large size spans, the optimal GSD resembles the century old Fuller-Thomson distribution that is commonly used in the feld of cements and pavements. This optimal power-law GSD produces not only the densest packing but also presents good connectivity, measured from a small proportion of foating particles, and reduces the packing internal spatial correlations, measured by the pair correlation function. Thus, tuning the GSD appropriately allows for designing mechanically stable packings that have the highest density, a small number of foating particles, and less local correlations.

En este trabajo utilizamos simulaciones DEM para encontrar el empaquetamiento más denso de esferas sin fricción sujetas a compresión mecánica. cambiando sistemáticamente la distribución del tamaño de grano (GSD). Esto se hace modelando el GSD como una ley de potencia y variando los parámetros que describen el GSD: el rango de tamaño y la forma de distribución, mientras se relacionan estos parámetros con la densidad. y otros parámetros microestructurales. Para vanos de gran tamaño, el GSD óptimo se asemeja al centenario Fuller-Thomson distribución que se utiliza comúnmente en el campo de los cementos y pavimentos. Esta ley de potencia óptima GSD produce no sólo el empaquetamiento más denso pero también presenta buena conectividad, medida a partir de una pequeña proporción de partículas flotantes, y reduce las correlaciones espaciales internas del empaquetamiento, medidas por la función de correlación de pares. Por lo tanto, ajustar el GSD apropiadamente permite diseñar empaques mecánicamente estables que tienen la mayor densidad, una pequeña cantidad de partículas flotantes y menos correlaciones locales.