随着现代社会的发展,人们越来越追求时间和空间的高利用率。而颗粒堆积就是一个跟空间利用率密切相关的问题,受到了各界研究人士的密切关注。颗粒堆积是一个复杂的、多样化的问题。按颗粒的排列方式,堆积可以分为规则堆积和不规则堆积。其中,最密(规则)堆积对应于颗粒系统对空间的最高利用率。组成堆积系统的颗粒既可以是最简单的球体,又可以是椭球体、球柱、四面体等非球体。堆积问题涉及的领域大到宏观运动的星际天体,小到微观粒子。它不管在科学研究的范畴还是现实生活中都有极大的应用价值。目前研究堆积问题的主要方法包括理论分析、实验研究以及计算机数值模拟分析。由于理论分析的困难性以及实验条件的限制,并且受近年来计算机计算能力不断增强以及各种数值方法和技术层出不穷的驱动,数值模拟已成为解决堆积问题的主要研究方法。本研究基于数值模拟,对等大硬球体在圆管中的最密堆积结构进行了深入探究。本文主要探究等大硬球体在圆管中形成的最密堆积结构特征。我们将由颗粒周期性排列形成的柱状结构称为“柱状晶体”。本文把圆管和小球的直径比定义为D。当D∈(1,2.7148)时,圆管内硬球体最密堆积随D值增大时将会呈现之字形、单螺旋、双螺旋、三螺旋以及四螺旋等柱状晶体,此时系统内每个球体都会与圆管内壁接触。但当D≥2.7148时,最密堆积结构中将出现不再和圆管内壁接触的球体,此时系统将形成“多层结构”。本文将跟圆管壁接触的球划分为外层球体,不跟圆管壁接触的球划分为内层球体,外层与内层球体的相互竞争导致系统形成更加复杂的结构。本文主要研究在D∈[2.7013,2.8612]时柱状晶体多层结构随D值变化的运动规律以及内外层球体的空间竞争机制。本研究主要基于数值模拟,利用数值模拟得到的最密堆积结构最小单元(晶胞)内的小球空间坐标,构造了小球在圆管中的三维结构图。另外,外层球的球心处在一个圆柱的侧面上,将这个侧面展开并且将实际接触的球的球心相连,就可以得到二维展开图进行辅助研究。同时,对于内层球,我们通过构造三维颗粒接触骨架图来进行观察。通过这些辅助工具的帮助,使我们对整个范围内最密堆积结构有了一个全面、基础的了解。本文根据堆积密度曲线一阶偏导的连续性,通过利用二维平面展开图、三维颗粒接触骨架图以及对数值模拟结果详细的分析。本文对4类最密堆积结构,将其按D值区间从小到大分别命名为“五螺旋结构”、“倾斜五边形交错排列结构”、“双层五边形结构”、“六螺旋结构(含内球)”,而除了五螺旋结构,其他结构都含有内层球体。我们得到了在D∈[2.7013,2.8612]内的最密堆积结构特征以及随D值变化小球的移动变化规律,并且对内外层球体对管内空间的竞争机制进行了简要合理的说明。我们发现了倾斜五边形交错排列结构中内层球排列紧密,外层球排列稀疏,双层五边形结构内层球排列稀疏,外层球排列紧密,六螺旋结构(含内球)内层球排列较紧密,外层球排列较稀疏,内外层相互竞争管中空间。这些结果可以促进我们对于受限空间内晶体结构的理解,了解受限空间中各种密堆积结构的由来,并且能为研发低维度材料提供新的理论基础。