基于图像离散元建模的阿波罗16号月球土壤三维颗粒形状特征研究( Investigation of 3D Grain Shape Characteristics of Lunar Soil Retrieved in Apollo 16 Using Image-Based Discrete-Element Modeling )

J Katagiri T Matsushima Y Yamada A Tsuchiyama T Nakano K Uesugi M Ohtake K Saiki Lunar soil X-ray computed tomography (CT Image-based discrete-element method (DEM Grain classification Agglutinate content

本文描述了返回月壤（60501号）的三维颗粒形状特征，并利用基于图像的离散元方法(DEM)对其进行了数值模拟。首先，在SPring-8设施上用X射线计算机断层扫描(CT)对月球土壤样本进行了研究。然后，利用一种基于聚球法的原始技术对获得的颗粒形状进行建模。CT图像通过最初开发的图像分析处理，共识别出74个晶粒。根据晶粒的三维形貌和颗粒内的空隙和裂纹，将其分为4类：（1）凝集岩(ag)、(2)A型角砾岩(brA)、(3)B型角砾岩(brB)和（4）斜长石(pl)。各粒级的含量比与前人的研究结果一致。三维形状指数，即外形、平面度和伸长率；Krumbein球度；计算了74个晶粒的体积与椭球的比值。对这四种晶粒形状的差异进行了评价，发现银晶粒比其他种类的晶粒更有棱角（不规则）。对四种类型的内部空隙和裂纹体积也进行了定量评价。地球上没有银颗粒的产生，因为大气层防止微陨石撞击。尽管银颗粒对月壤体性质的影响有待评估，但力学实验可能会对月壤颗粒造成损伤。因此，作者通过基于图像的DEM进行了计算机模拟。在基于图像的DEM模拟中，颗粒形状是通过10个球块来建模的。在一系列基于图像的DEM模拟中，评估了ag含量对晶粒组装的动态（休止角）和准静态（简单剪切）行为的影响。在AG=0%、AG=27%和AG=100%的模拟中，AG=100%的试样产生了最大的休止角。此外，与剪切强度相比，ag含量主要影响体积密度。这项工作对于理解月球土壤的力学性质是很重要的，因为模拟方法提供了一种合适的替代力学实验的方法，力学实验可能会损坏标本。

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