颗粒材料是颗粒与孔隙组成的集合体,在应变局部化现象中颗粒位移具有强烈的非连续性和非线性,颗粒样本材料点的应力大小不仅与该点的应变大小和加载历史有关,而且会受到高阶变形梯度的影响。因此,本文基于离散元方法,研究了二维模型颗粒材料的变形梯度效应,从宏观应力、能量和三阶应力不变量的演化等方面分析了一阶剪切应变梯度和一阶转动梯度对线性接触模型和自定义抗转动接触模型的颗粒样本力学行为的影响,本文主要研究内容如下:首先,基于虚功原理,推导了共轭的宏观应力和宏观应变的微观表达式、及不同连续体的内力虚功表达式。模拟中采用位移控制的加载方法,位移模式是一个由宏观应变组成的多项式决定的。其次,研究了一阶剪切应变梯度对线性接触模型颗粒样本力学行为的影响。结果表明:随着一阶剪切应变梯度的增大,宏观剪切应力的值增大。较小应变时,一阶剪切应变梯度对宏观剪切应力的值基本没有影响,较大应变时,一阶剪切应变梯度对宏观剪切应力有软化作用。在整个加载过程中,随着一阶剪切应变梯度的增大,三阶应力、三阶功及功的比例（三阶功/总功）的值逐渐增大。说明了三阶功对总功的贡献不可忽略。随着一阶剪切应变梯度的增大,三阶应力不变量的值波动变得越来越剧烈,应变局部化现象越来越明显和集中。再次,在线性接触模型的基础上引入滚动摩擦参数?r构建了自定义抗转动模型,研究了一阶剪切应变梯度对自定义抗转动模型颗粒样本力学行为的影响。结果表明:与线性接触模型相比,宏观剪切应力、三阶应力、功（二阶功、三阶功和总功）、功的比例和三阶应力不变量的变化规律基本一致,但是其大小都在一定程度上增加,且应变局部化现象更加的集中和明显,说明考虑颗粒转动自由度后,一阶剪切应变梯度对颗粒样本的力学行为影响作用加大。分析得知一阶剪切应变梯度对宏观应力的软化作用变小。对于两种接触模型,不同的颗粒半径和初始孔隙率都会影响软化作用的大小。法向接触密度函数的演化揭示了软化作用大小改变的原因。随着颗粒样本各向异性程度的变化增大,宏观剪切应力降低的幅度增大,即软化作用变大。最后,研究了一阶转动梯度对抗转动接触模型颗粒样本力学行为的影响。结果表明:对于相同尺寸的颗粒样本,随着一阶转动梯度的增加,宏观偶应力、三阶应力（与高阶应变共轭）的绝对值都会先增加后减小,三阶应力的绝对值大于宏观偶应力的值。颗粒样本的半径和初始孔隙率会影响功的比例的变化规律。但是在整个加载过程中,功的比例的值始终很大,说明了三阶功对总功的贡献不可忽略。对于不同尺寸的颗粒样本,一阶转动梯度效应具有尺寸效应。当颗粒样本的初始孔隙率比较大时,颗粒样本尺寸会影响功的比例的变化规律,但是宏观应力的变化规律不会受到样本尺寸的影响。