燕窝的微观结构和力学模拟

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概述 燕窝的结构可以为人类提供有价值的设计见解,其在控制结构特征和材料分层方面与增材制造相似。可食用的金丝燕窝就是用它们螺纹状的唾液创建巢穴,以高分辨率严格遵循设计原则。 本项目使用 Simpleware 软件处理 micro-CT 数据的数值模型,并在 SIMULIA Abaqus 中进行应力分布的有限元(FE)模拟,研究燕窝中材料特性如何与结构设计相结合。结果显示,燕窝的宏观和微观尺度结构模式具有显著的一致性,表明对施加载荷的响应依赖于保守的设计策略,避免用于储存金丝燕鸟蛋的重要区域发生断裂。 亮点 燕窝的设计原则为如何构建复杂结构提供了重要见解,与增材制造技术具有共同点。Simpleware 软件由 µCT 创建的模型可以详细描述燕窝的微观结构。Simpleware 软件为逼真的模拟提供高质量的 FE 网格。Abaqus 的仿真结果表明燕窝是按照特定的设计原则搭建。 在 Simpleware 中创建模型 为开展这项工作,研究人员从商业农场获得了 5 个金丝燕窝,并使用 SkyScan 1176 高分辨率的 micro-CT 扫描仪(Sky Scan,比利时)进行扫描。随后将数据导入 Simpleware ScanIP 中,对感兴趣区域进行可视化和分割。为了提高效率,先对图像数据进行重采样,将感兴趣区域从背景数据中分割出来。修正 µCT 数据中的伪影和噪声,通过阈值工具分割燕窝并去除背景噪声。 使用 Floodfill 工具删除不连接的掩膜伪影,应用 recursive Gaussian 滤波器降低图像噪声和细节电平。设置将小于 125 体素的闭合孔隙添加到掩膜中,这样可以减少计算时间并提高生成单元的质量。 图:燕窝模型重建的工作流程,利用 Simpleware 软件和 Abaqus 完成从 micro-CT扫描到 FE 模型 使用 Simpleware ScanIP 测量和统计工具计算整个燕窝的形态计量学参数,包括:质量密度、燕窝的体积和表面积,以及孔隙分析。测量的对象是分割的燕窝掩膜和封闭孔隙的单独掩膜。编写一个在 YZ 、 XZ 和 XY 坐标平面对掩膜进行逐个切片的脚本,分析每个切片上孔隙和掩膜的数据,生成一个由闭合孔隙组成的多标签掩膜。创建这个掩膜是为了交互式地可视化和分析包含多个区域的孔隙掩膜,例如唾液链之间分散的孔隙。孔隙多标签掩膜是通过在孔隙掩膜中标记不连通区域获得,同时赋予每个区域不同的颜色。 导出用于模拟的FE模型 在 Simpleware 软件中生成能够展示微观结构特征的高质量有限元网格,用于模拟不同的加载状况。选择 FE Free 网格划分算法,确保高度精细的燕窝微观结构具有很高的几何精度,从而真实地表示结构中的孔隙率。网格经过平滑处理后,可导出为包含大约500万个单元的全四面体有限元模型,平均边长的长宽比为 4 – 5,平均内外长宽比为 0.8 – 1。 图:Simpleware 软件分割和生成燕窝FE网格的细节展示 在划分网格的设置中定义接触实体和节点集,然后将专用的网格模型导出至 Abaqus 求解器,可以选择节点集用于施加边界条件和载荷。通过扫描电子显微镜进行原位单轴拉伸试验,获得材料的应变和应力特性。 图:机械测量用 3D 模型生成的高分辨率燕窝 FE 网格模型,彩色标尺表示不同的材料密度 模拟应力和应变 在 Abaqus 中,有限元网格的材料属性通过拉伸试验获得的数据赋值。根据名义应力-应变曲线设置输入数据,同时考虑小变形时的线弹性模型。假设该材料在纤维水平上为各向同性,由 µCT 扫描中捕获纤维的几何排列而产生了结构的各向异性。模拟假设最坏的情况是两只金丝燕和两颗蛋施加的体积力(重力),与只额外对鸟蛋进行的测试比较结果。 图:有限元模拟结果展示在每个线性静力加载状况(A、C、E)及最坏加载情况(A-D)下的最大主应力 Simpleware ScanIP 中预定义的加载区域含有一定数量的节点,包括在燕窝边缘施加金丝燕重力的两个定义区域和燕窝中心施加鸟蛋重力的两个区域。对于燕窝的每个有限元模型,在计算应力和应变分布时,将燕窝与壁接触的几何位置处节点集约束为完全固定的(所有方向位移均为零)。有限元模拟结果显示每个线性静力加载情况结束时的最大主应力。中心的“鸟蛋区域”应力值较低,对锚定区域起到保护作用。 结论 由唾液形成的可食燕窝在宏观(重量、形状)和微观(孔隙面积和分布)特性上表现出显著的相似性,这表明燕窝是由生物采用特定的设计原则建造。对燕窝的研究也表明它们的搭建目标足以支撑两只金丝燕和两颗鸟蛋。峰值应力的管理确保优化的结构能够完全承受鸟蛋和金丝燕的重力而不破坏燕窝。 此外,该研究展示了单一材料如何正确分布在特定结构中,创建出具有可持续性和弹性的结构。这些来自动物的建造结构设计原则为人们提供了如何在仅使用本地或自产材料的条件下创建复杂结构的见解,与增材制造技术具有相同之处。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/avian-nests.htmlH.R. Jessel, […]

分子动力学在电子材料与器件研究中的应用

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创建非晶材料结构 铝隧道结是各种电子设备的关键部件。这些被称为约瑟夫森结(JJ)的超导隧道结是超导量子比特的主要组成部分之一,这是量子计算机竞赛中最受欢迎的量子比特技术。在这项模拟研究中,作者将JJ结构建模为两个铝电极,之间被一层薄的非晶氧化铝隔开,并提出了一项结合分子动力学、原子半经验方法(密度泛函紧束缚)和非平衡格林函数的计算研究,以研究这些结器件的电子结构和电流,尝试理解非晶氧化物势垒的结构如何影响性能和缺点。结果表明,与铝氧配位相关的非晶势垒的原子性质敏感的影响伏安特性、电阻和临界电流。氧化物化学计量数是一个重要参数,可导致电阻和临界电流的几个数量级变化。模拟进一步说明了由于具有相同化学计量、密度和势垒长度的非晶势垒之间原子结构的微小差异而产生的可变性。结果还证实,通过势垒的电荷传输主要由金属传导路径控制。(Lapham, P.; Georgiev, V. P. Computational Study of Oxide Stoichiometry and Variability in the Al/AlOx/Al Tunnel Junction. Nanotechnology 2022, 33 (26), 265201. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac5f2e) 验证制备材料的复杂结构 有关无定形硒结构的结果包含许多不确定性和矛盾,特别是关于聚合链与单体环谁更具优势。由于硒的晶体同素异形体在配位数、键长、键角和二面角方面的相似性,衍射径向分布函数的分析具有不确定性。在这里,作者采用了一种非常不同的方法,通过结构相变分析探讨了热力学不稳定非晶态的分子对称性,使用扫描透射电子显微镜验证了转化的亚稳态和稳定晶体结构的结构。此外,考虑到实验技术无法证实玻璃态半导体中精确的三维原子排列,作者使用基于力场的分子动力学进行了模拟,设计了一种真正的气相沉积过程,利用经验分子气相组成和密度将硒分子沉积到衬底上。模拟得到的气相沉积和熔融淬火样品的径向分布函数与实验非常吻合。实验和分子动力学分析的结合表明,气相沉积和熔融淬火的玻璃态/非晶态硒的结构非常不同,二者的主体分别基于环和链,反映了母相在热力学平衡中的主要结构。(Goldan, A. H., et al. Molecular Structure of Vapor-Deposited Amorphous Selenium. Journal of Applied Physics 2016, 120 (13), 135101. https://doi.org/10.1063/1.4962315) 分子动力学模拟得到的结构。两种颜色分别表示环状与链状结构(a:熔融淬火;b:气相沉积)。 验证分子体系自组装结构 完全芳香的螺旋烯是构建固有手性π-共轭大环纳米碳的有吸引力的构建块。这些迄今罕见的分子结构被认为具有显著的(手性)光学性质、自组装、电荷/自旋传输、诱导环电流或甚至Möbius拓扑结构。本文报道了以角二苯并[5]螺旋烯单元为顶角、以线性反式-苯乙烯-4,4′-二基连接体为边的螺旋手性大环的合成。使用空气AFM的优化PeakForce模式,可以研究螺旋烯环三聚体在HOPG表面上的其他高度移动立体异构体的自组装。无论立体化学如何,发现这些大环的边对边相互作用的强烈偏好在有序的二维纳米晶体中形成非常长的平行一维分子条纹,这一结果也得到了分子动力学模拟的验证。最初引入大环以提高溶解度的六个三苯甲基基团,在大环的自组装中充当关键的“分子Velcro”系统,可以将它们之间的范德华相互作用最大化。(Houska, V., et al. Helicene-Based π-Conjugated Macrocycles: Their […]

肿瘤手术的术前规划、虚拟仿真和手术导板

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概述 3D LifePrints 公司使用 Simpleware 软件从患者图像获得 3D 打印的解剖模型,用于3D虚拟仿真和手术导板设计。Simpleware 用于诊断的 3D 打印正在帮助3D LifePrints 实现即时医疗(POC)3D 打印以及嵌入式临床。 3D LifePrints 重点关注的专科之一是肿瘤外科,目前已在英国的一些专科医院开展合作。他们的工程师帮助手术团队处理困难和复杂的病例,参与到切割导板的设计和制造。这里展示两个最近的成功案例,包括半骨盆切除术和定向髂骨切除术。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描,分割骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/器械间相互作用的模拟3D 打印包含定制植入物的患者骨骼模型虚拟手术规划辅助最终的手术和植入该工作流程节省时间并可更好的支持临床决策 PI/II 半骨盆切除术 在本例中,3D LifePrints 需要创建灭菌性手术导板,协助切除患者左半骨盆被肿瘤肿块破坏的部分。由于肿瘤切除手术日期紧迫,需要快速完成服务。工程师使用 Simpleware ScanIP Medical 对患者最新的 MRI 和 CT 扫描数据进行分割,创建包含肉瘤的左半骨盆虚拟模型。然后通过安全的手术切缘使肉瘤数字化扩增,突出显示以更好地区分,帮助外科医生评估和确定最佳手术切割平面。 3D LifePrints制作了3种不同的手术导板:(1)通过髂骨侧方的双平面切口(2)通过耻骨的单切口(3)引导通过坐骨的单切口。3种导板均采用可灭菌的USP Class VI生物相容性透明材料Biomed Clear,在该医院内3D Life Prints控制环境设备Formlabs 3B 3D打印机上打印制成。 图:由Simpleware生成的PI/II 半骨盆切除术模型 3D Life Prints能够在5天内创建解剖模型和设计制造导板,满足手术紧迫性的需求。手术团队使用解剖模型和导板作为术前工具,与患者详细讨论肿瘤的复发和转移。在术中,最佳匹配的导板帮助实现单一的后路扩大技术,显著缩短手术时间。 定向髂骨切除术 第二个案例的患者在常规扫描中被发现显示为无症状1级软骨肉瘤,然后进行了单独的进一步检查。肿瘤较小且位于患者的左侧髂骨,因此外科医生希望进行有针对性的、保留骨骼的切除术,确保合适的切缘以保留髂骨的完整性。 因此,3D LifePrints为该手术设计并提供了患者特定的灭菌手术钻孔导板。使用Simpleware ScanIP Medical从患者的CT和MRI扫描中分割出骨骼和肿瘤结构。然后将这些解剖结构组合为虚拟的模型,其中通过肿瘤的数字化生长创建安全的手术切缘。突出显示边界以获得更好的可视化,方便外科医生确定最佳的切除路径。 3D LifePrints使用Biomed Clear材料制作患者专用的圆形钻孔通道导板,并将3D打印的解剖模型交付给手术团队供术中参考。 图:为定向髂骨切除术准备的3D打印模型和手术导板 导板拟合良好,外科医生通过必要的钻孔引导后续的截骨手术,使手术变得简单并在一小时内完成。总的来说,手术团队高度赞扬了导板的精度水平。这种精确性意味着在保留骶髂关节和避开神经血管结构的同时,可以安全地切除肿瘤。术后患者经历了快速的康复期。 总结 3D LifePrints目前的应用和正在开发的专科手术领域,以及它们通过嵌入式中心密切参与临床站点,展示了将患者数字化、设备产品和服务带向即时医疗的巨大潜力。Simpleware软件可以支持3D LifePrints实现快速高效的工作流程,通过医学影像到3D打印等虚拟方法帮助改善患者治疗。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/oncological-surgical-planning.html

患者颅缝早闭矫正的计算模拟

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概述 人字缝早闭型颅缝早闭(LC)是一种罕见的非综合征型颅缝早闭,特征是出生时头后部人字缝融合。虽然有像弹簧辅助颅成形术这样的手术选择,但美学效果通常并不理想。为了解决这个问题,研究人员开发的 LC 颅骨参数化有限元(FE)模型可以用来优化将来的弹簧手术。 选择三名接受弹簧辅助颅成形术的患者作为研究对象,在 Simpleware 软件中由他们术前 CT 数据创建颅骨结构模型。然后模拟比较术前 CT 图像和手术的颅骨生长,通过在虚拟场景中重现这一过程,可能有助于改善未来的 LC 手术。 亮点 为了更好地理解颅缝早闭的干预措施,在 Simpleware 软件中使用CT图像创建FE模型在 Simpleware CAD 模块中比较颅骨生长的表面偏差模拟用于比较术前 CT 成像、手术干预和术后干预目标是改善未来的外科实践 数据获取与重建 3 例因颅骨形态异常的 LC 患者在英国伦敦大奥蒙德街医院颅颌面外科接受了弹簧辅助颅成形术,并在术前和术后进行头部 CT 扫描。将 CT 图像导入 Simpleware ScanIP 软件中重建这两个不同阶段的颅骨,经过分割和处理以确定颅骨至上颌骨及骨缝结构的骨骼。 图:使用 Simpleware 软件从 CT 图像重建患者术前和术后的颅骨模型 为模拟划分网格 在 Simpleware FE 中采用结构化的 3D 四面体单元生成颅骨的有限元(FE)模型,对不同的解剖区域赋予合适的材料属性建模。在对颅骨模型进行截骨之前,通过使用热膨胀系数在 MSC Marc 中近似模拟术前成像和手术之间的颅骨生长。将颅内体积(ICV)作为表示不同阶段颅骨大小的参数,包括在 Simpleware ScanIP 中通过选择颅顶内表面进行术前CT重建。 通过在 Simpleware ScanIP […]

使用机器学习势探索金属硫族界面的互扩散

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概述 硫族合金是用于下一代非易失性存储单元的选择器和存储元件的关键材料。然而,在工作期间承受的高电场和焦耳加热会促进界面处的相互扩散,器件性能会随着时间的推移降低。在原子尺度上清晰的理解硫族化物合金如何与电极相互作用,有助于搞清楚提高设备长期耐久性的方法。 在这项工作中,作者使用了一组强大的机器学习势(力场)矩张量势(MTPs)来研究 Ge-Se 合金和 Ti 电极之间的相互作用。先前的研究表明,钛和硫族化物合金之间存在强烈的相互作用。这个体系提供了第一个使用机器学习势的测试研究,以理解界面对存储元件和其他纳米级器件耐久性的影响。作者使用主动学习框架,利用 Ti、Ge 和 Se 化合物的第一原理计算的数据集建立了这类体系的MTP势。长时间模拟(>1ns)显示,Ti|Ge−Se 界面处存在明显的相互扩散,Ti和Se都活跃移动,穿过原始界面。Ti和Se的强化学亲和性导致形成明显的 Ti−Se 区域和严重硒耗尽的中心 Ge−Se 区,这种特性不利于选择器。Ti−Se 层的演化可以使用自限生长模型来描述,通过比较不同温度下模拟的有效 Ti-Se 扩散常数,可以发现 Ti-Se 层相互扩散的活化能低至 0.1 eV。 训练 Ti−Ge−Se MTP 训练数据来自分子动力学模拟、几何结构优化和高温主动学习的轨迹。确定了线性拟合超参数,如基集数量、外截止半径和正则化惩罚。对 MTP 的参数进行非线性优化,以提高 MTP 的质量。 MTP 势的测试 每个 MTP 都有两轮测试:初步测试和高级测试。初步测试包括两组:(1)计算训练和测试数据中预测能量(E)和力(f)的方均根误差(RMSE);(2)所有块体材料的能量-体积响应的质量。高级测试包括两组:(1)确定 MTP 是否能够对 Ge20Se80 结构进行几何结构优化;(2)确定MTP是否能够对 Ti−Ge20Se80 结构进行几何结构优化。 扩散分子动力学 使用 MTP 在 T=500 K 下对 Ti−Ge20Se80 界面的进行 1.5 ns NVT MD […]

基于患者医学图像建模预测膝关节置换术结果

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膝关节运动的计算模拟可以通过患者模型基于全膝关节置换术(TKA)后关节动力学研究 TKA 的结果。澳大利亚的 360 MedCare 公司使用 Simpleware 软件创建模型,并于近日开发了一种采用 3D 图像处理/分析结合预测算法综合考虑患者报告结局与深屈膝计算模拟输出,从而评估手术结果的方法。360 MedCare 的工程师与多家医院、骨科研究机构和企业合作获得了关于TKA手术规划的新见解,并在《The Knee》杂志发表了他们的研究成果。 图:从 3D 图像分割到患者个性化模拟的生成(第一组) 开发术前工具 尽管 TKA 是一种普遍成功率较高的手术,但部分患者术后会出现问题,其中植入位置不佳是主要原因之一。提升针对特定患者膝关节动力学以及它们如何与植入物相互作用的理解对于通过创建数据改进手术规划至关重要。对给定植入物选型与组件对齐结果进行运动学模拟,这样的虚拟术前试验可以查看和比较不同对齐方案的模拟结果。将其与患者报告结局(PROs)联系在一起时,预测算法可能有助于选择未来患者的手术规划。 完整工作流程的简要总结如下: 采用计算机断层扫描(CT)收集不同TKA患者的图像数据,第一组含有术前和术后扫描及结局调查,第二组为随机选择含有术前扫描的膝关节样本(术后扫描不是必要的);在 Simpleware 软件中采用半自动化流程重建患者股骨和胫骨的三维模型,标注解剖标志展示该患者软组织附着物和骨轴;第一组:TKA 后在 Simpleware 软件中将术前骨骼和3D植入物结构文件与分割的术后CT扫描进行配准;利用创建的三维模型运行深屈膝的多体动力学仿真,然后将结果用于机器学习算法的运行,预测术后12个月膝关节损伤与骨关节炎评分(KOSS)中患者可接受症状状态(PASS)评分;第二组:结合术前患者数据和预测模型评估其临床规划的性能;生成的预测算法(动态膝关节评分)包含不同的特征,预测 PASS KOOS 评分达到的曲线下面积(AOC)为0.64。 图:周期伸展(活动)的部分期间患者早期屈曲的模拟 未来影响 研究发现,该方法有可能成为 TKA 手术决策过程中的强大辅助工具,但需要在除现有技术之外以及项目未涵盖非手术因素的背景下使用。该方法的应用可能还包括协助在其他可选的合理手术对齐计划间确定最佳结果。考虑到在髋关节和其他部位的手术规划中越来越多地使用到基于图像的工作流程,以及开发基于机器学习的方法加速常见任务,360 MedCare 的工作展示出未来应用的广阔前景,继续期待他们更好的发展。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/tka-360medcare.htmlTwiggs J, Miles B, Roe J, et al. Can TKA outcomes be predicted with computational simulation? Generation […]

N95 口罩过滤器的高效 3D 打印

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N95 口罩在新型冠状病毒肺炎(COVID-19)大流行期间需求量非常大,因为它透气性好,又能够有效保护公众,同时还可以通过可重复性使用减少环境中的废弃物。3D打印的N95医用口罩过滤器还具有抗菌性或可灭菌性,且适合于灵活设计。然而,这些过滤器的生产速度缓慢,目前相关产业正在通过粘结剂喷射3D打印、micro-CT 扫描、三维图像处理和 CFD 模拟等工作流程解决这一问题。匹兹堡大学、ExOne、Ansys 和 Synopsys 的研究人员致力于开发一种高效的数字化原型工艺,有助于在制造3D打印铜和不锈钢口罩过滤器时节省时间和资源。 图:带过滤器的N95口罩示例 优化 3D 打印过滤器 整合不同资源创建过滤器的工作流: ExOne 公司利用粘结剂喷射打印和烧结的方法获得不同的过滤器样品及其实验数据。使用 Bruker SkyScan 12972 uCT 设备扫描样品。将扫描图像数据导入 Simpleware 软件,对多孔结构进行分割,生成可用于模拟的 CFD 网格模型。采用 Ansys FLUENT 分析 N95 口罩正常使用时的性能,包括多孔电阻和不同条件下 Simpleware 精细网格的模拟运行,从而预测哪些金属粉末/烧结组合符合可接受的过滤标准。结果表明,相较于 1 µm 颗粒,打印的过滤器提高了对 5 µm 颗粒的过滤效率。研究高、低流量区间如何为口罩设计和提高性能提供见解。 图:在 Simpleware 软件中创建的 CFD 网格(左)和 Ansys FLUENT 中的颗粒流模拟:1 µm 颗粒(效率58%)(中)和 5 µm 颗粒(效率97%)(右)。 未来影响 鉴于对 N95 口罩和高效过滤器制造的持续需求,这种结合粘结剂喷射3D打印和打印及后处理参数的迭代优化有望提高灭菌型金属 N95 […]

Simpleware U-2022.12新版发布

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Simpleware 三维图像处理和模型生成的专业平台于近日发布了 U-2022.12 新版,包含许多新增功能和改进,包括Simpleware AS Ortho / CMF模块中的颅颌面(CMF)CT工具,智能Paint工具,3D打印连接件的自动配置选项和其他材料分析功能。 U-2022.12版本的新增功能 AS Ortho / CMF模块中颅颌面CT的自动分割 针对颅颌面区域解剖结构的全自动AI分割可由CT图像分割出:颅骨、下颌骨、牙齿、颈椎、气道、耳道、颅腔、眼睛和视神经眼眶内薄骨区域的自动填充自动识别骨性结构上的解剖标志自动检测感兴趣区域,加速处理进程 3D打印:连接件的自动配置 新增在两个相邻部件之间自动放置连接件的选项算法的选择取决于结构和所需的连接件采用交互式小部件轻松微调大小和重新定位 智能Paint工具加速分割掩膜的填充 利用智能检测算法加强Paint工具辅助涂画操作使用圆柱形的刷子可以在当前切片及其相邻切片进行涂画 Simpleware ScanIP: 孔隙和颗粒分析 材料分析的对象扩展至纤维、孔隙和颗粒包含生成、可视化和导出统计数据的完整工作流程可以选择分析开放或封闭的孔隙,以及接触或孤立的颗粒 其他改进 Simpleware ScanIP 新增3D视图“Slices intersection position”小部件提高中心线可视化的交互性创建面模型时保留掩膜的颜色3D打印工具包:布尔运算的速度至少提高2倍,甚至高达64倍 Simpleware CAD 增强面的原始创建 Simpleware FE 支持模型内对象的单独网格划分(专家选项) 新版本的优点总结 Simpleware AS Ortho / CMF模块可对颅颌面CT扫描进行自动分割减少因3D打印所需放置连接件的工作量利用“Smart Paint”工具提升手动微调掩膜效率精简的材料分析使您更容易获得所需数据统计3D打印工具包中用于裁剪和分割的高效布尔运算 参考 更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/simpleware-u-2022-12.html

QuantumATK U-2022.12 新版发布

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MTP 机器学习力场更新 新版本继续发展 MTP 机器学习力场,可以为大体系尺寸、大时间尺度提供从头计算精度。与 DFT相比,MTP 的模拟时间缩短了 1000-10000 倍,训练完善的力场则可以做到没有任何实际的精度损失。这使得能够使用分子动力学生成新型晶体和非晶材料、合金、界面和多层堆叠的真实复杂结构,模拟热和力学性能,以及表面沉积/蚀刻和其他动力学过程。 QuantumATK 提供了一系列预先训练的力场,可以用于块体材料和界面。此外,用户可以使用内置的自动化框架生成训练数据,并为新材料定制 MTP 力场。 核心 MTP 框架更新 使用更灵活的力场参数设计,显著提高了多元素体系的精度新增主动学习的外推分级算法 Query-by-CommitteeMTP 训练流程现在在图形界面上新的 Workflow Builder 中可快速轻松地进行设置Nanolab 内置 MTP 分析工具,用于绘制和分析 MTP 数据与参考 DFT 能量、力和应力之间的相关性训练方案更新(生成合金材料的训练数据、界面训练方案的改进)MTP训练功能的改进(自动扫描非线性系数、能量权重、力和应力数据的初始猜测,指定目标样本和结构大小)CrystalPropertyValidation 分析工具,自动计算、比较和绘制 MTP 和 DFT 或任何其他计算工具组合之间的各种材料特性(例如,晶格常数、弹性常数、声子、状态方程)。 预先训练的力场 新增预先训练力场(如MgO、FeCo、W、Ta 和 FeCo 合金等的界面、钴硅化合物与界面、InGaZnO、GeSbTe重新训练的 HKMG 堆叠和界面的MTP力场,添加 Ru、Sc 和他们与 HfO2 的界面重新训练的 TiNAlO 力场,提高了精度 图形界面的多层堆叠生成工具 新 MTJ 建模工具,用于构建 MRAM 应用的多层堆叠结构HKMG 堆叠建模工具改进,改进了晶体界面适配和优化的算法,添加栅极(Sc和Ru)以及氧化物结构HKMG 和 […]

优化大型强子对撞机的线圈设计

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大型强子对撞机(LHC)High Luminosity(HiLumi)的升级以及其他额外的升级依赖于超导 11T 偶极磁体增大束流亮度,从而扩大物理实验的数据样本。新的偶极磁体由Nb3Sn超导元件制成,在制造阶段经过非常特殊和必要的热处理后变得非常脆。 在 LHC 加速器最终装配和运行期间,微观超导元件(直径约 40 µm)对施加给磁体的应力和应变会非常敏感。理解和调控源于宏观尺度到微观尺度的应力和应变,以及它们导致超导元件的永久性退化对磁体的性能极其重要。 图:LHC隧道(来源:CERN) 基于三维图像建模的 Simpleware 软件在欧洲核子研究中心(CERN)的 HiLumi 项目中,采用先进的材料模型表征代表性的线圈结构,从而预测不同尺度下的性能。这项研究通过考虑真实线圈几何结构的全局应力,在股线和细丝水平上进行逼真的模拟。 图:线圈107的高清光学(像素数:11640 × 6264)图像以及为网格划分和有限元分析将图像分割为不同的部分(来源:CERN) Simpleware 软件为处理三维图像数据提供了一个快速、直观的环境。在这个案例中,首先通过 X 射线 CT 扫描创建铝制部件(包含缺陷)的一组图像。ELEMCA 实验室使用 Simpleware ScanIP 分割组件和处理数据,捕获用于仿真的重要元素。 图:从完整的107线圈几何结构提取子模型,其SEM图像中分割出具有外载荷股线的应力分布。1:纤维/云母/树脂,2:股芯(退火铜),3:不锈钢芯,4:纯树脂,5:股线基体(退火铜),6:超导细丝,7:超导细丝(假设为退火铜)。环形区域显示在细丝之间呈现为高应力区域(来源:CERN) CERN 通过实验测试从线圈材料中获得应力-应变测量值。然而,他们发现有必要增加有限元(FE)模型的细节来进行模拟,以便更好地了解基于材料特性的行为。Simpleware 软件通过分割线圈截面的高清光学图像及同一线圈截面中微观超导细丝的扫描电子显微镜(SEM)图像能够解决这个问题。该方法可以在保留原始原型特征的情况下表征线圈复杂的内部几何结构。 CERN 在 ANSYS 中采用 Simpleware 创建的网格模型对线圈绞线和电缆的复丝进行真实的应力分析。Simpleware生成的精细网格使 CERN 能够提高测量应力的精确性,从而实现更准确和更有价值的模拟。本项目的结果正被用于改善 CERN 大型强子对撞机的线圈特性和长期性能。 CERN 的 Michael Daly 评价 Simpleware 软件对当前研究的重要性: Simpleware ScanIP 软件使我们能够利用光学和扫描电子显微镜的二维图像在多个尺度上分析 11T 偶极线圈的复杂性。偶极线圈的超导电缆内部存在固有变形,使用 CAD […]

 
  • 燕窝的微观结构和力学模拟概述 燕窝的结构可以为人类提供有价值的设计见解,其在控制结构特征和材料分层方面与增材制造相似。可食用的金丝燕窝就是用它们螺纹状的唾液创建巢穴,以高分辨率严格遵循设计原则。 本项目使用 Simpleware 软件处理 micro-CT 数据的数值模型,并在 SIMULIA Abaqus 中进行应力分布的有限元(FE)模拟,研究燕窝中材料特性如何与结构设计相结合。结果显示,燕窝的宏观和微观尺度结构模式具有显著的一致性,表明对施加载荷的响应依赖于保守的设计策略,避免用于储存金丝燕鸟蛋的重要区域发生断裂。 亮点 燕窝的设计原则为如何构建复杂结构提供了重要见解,与增材制造技术具有共同点。Simpleware 软件由 µCT 创建的模型可以详细描述燕窝的微观结构。Simpleware 软件为逼真的模拟提供高质量的 FE 网格。Abaqus 的仿真结果表明燕窝是按照特定的设计原则搭建。 在 [...]
  • 分子动力学在电子材料与器件研究中的应用创建非晶材料结构 铝隧道结是各种电子设备的关键部件。这些被称为约瑟夫森结(JJ)的超导隧道结是超导量子比特的主要组成部分之一,这是量子计算机竞赛中最受欢迎的量子比特技术。在这项模拟研究中,作者将JJ结构建模为两个铝电极,之间被一层薄的非晶氧化铝隔开,并提出了一项结合分子动力学、原子半经验方法(密度泛函紧束缚)和非平衡格林函数的计算研究,以研究这些结器件的电子结构和电流,尝试理解非晶氧化物势垒的结构如何影响性能和缺点。结果表明,与铝氧配位相关的非晶势垒的原子性质敏感的影响伏安特性、电阻和临界电流。氧化物化学计量数是一个重要参数,可导致电阻和临界电流的几个数量级变化。模拟进一步说明了由于具有相同化学计量、密度和势垒长度的非晶势垒之间原子结构的微小差异而产生的可变性。结果还证实,通过势垒的电荷传输主要由金属传导路径控制。(Lapham P.; Georgiev V. P. Computational Study of Oxide [...]
  • 肿瘤手术的术前规划、虚拟仿真和手术导板概述 3D LifePrints 公司使用 Simpleware 软件从患者图像获得 3D 打印的解剖模型,用于3D虚拟仿真和手术导板设计。Simpleware 用于诊断的 3D 打印正在帮助3D LifePrints 实现即时医疗(POC)3D 打印以及嵌入式临床。 3D [...]
  • 患者颅缝早闭矫正的计算模拟概述 人字缝早闭型颅缝早闭(LC)是一种罕见的非综合征型颅缝早闭,特征是出生时头后部人字缝融合。虽然有像弹簧辅助颅成形术这样的手术选择,但美学效果通常并不理想。为了解决这个问题,研究人员开发的 LC 颅骨参数化有限元(FE)模型可以用来优化将来的弹簧手术。 选择三名接受弹簧辅助颅成形术的患者作为研究对象,在 Simpleware 软件中由他们术前 CT 数据创建颅骨结构模型。然后模拟比较术前 CT [...]
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