概述 剑桥大学的研究人员利用X射线计算机断层扫描和Simpleware软件表征天然生物复合材料的弹性性能。这些生物复合材料（如骨头、海绵骨针、鱼鳞和贝壳）具有独特的性能，可以耗散能量、受力弯曲、保护其他材料相免受损伤。分析这些性质有助于我们研究结构支撑、强化和吸收冲击能量的解决方案。 这个项目特别关注双壳贝类，因为这些水生生物对其环境具有很强的适应性，可以为如骨植入物等应用提供生物相容性和强度方面的认识。 亮点 以双壳类贝壳作为材料设计的灵感来源使用Synopsys公司的Simpleware ScanIP软件对复杂的micro-CT图像数据进行可视化和快速分割Simpleware SOLID模块计算有效刚度张量对弹性性能的计算模拟可用于改善产品设计 材料测量 通过实验测试获得双壳类贝壳样品的材料性能。取5种双壳类样品，用扫描电子显微镜（日本SEM-JEOL有限公司的JEOL JSM-820）比较微观结构。其他测试还包括使用Tinius Olsen 5 Kn万能试验机（英国Tinius Olsen有限公司）进行四弯曲测量、纳米压痕测量确定不同微观结构的杨氏模量和硬度，以及性能的各向异性。 图：四点弯曲夹具：将试样横置于下杆，通过上方两个弯曲点向下施加应力，上方弯曲点沿下方点以第三种方式跨越 图：从紫贻贝的壳切取一段用于四点弯曲测量 以上方法在捕捉双壳类贝壳微观结构的真实几何形状方面存在一些局限性。而基于均质化的有限元分析从X射线断层扫描成像获取实际微结构则能够提供更为可靠的解决方案。此方法考虑到了典型双壳类的多重微观结构以及它们如何共同发挥作用，以产生对不同环境的适应性优势。 借助Simpleware软件基于X射线图像的分析 使用Bruker SKYSCAN 1172 micro-CT设备对双壳类贝壳进行扫描，生成微观结构的三维图像。然后将数据导入Simpleware ScanIP进行图像处理，包括阈值化和分割，识别壳体的不同相。在Simpleware FE模块对分割后的图像数据进行网格划分，生成可直接用于进一步仿真的模型。 图：基于CT扫描数据进行耳廓扇贝棱柱状结构的分割和网格生成：（a）有机质（深灰色）可以从方解石棱柱（浅灰色）中区分出来，立方体尺寸0.4 x 0.4 x 0.27 mm3；（b-d）不同结构的有限元模型；（e）由有限个四面体单元定义的两相 本案例采用Simpleware软件物理模块中的SOLID模块通过施加（模拟）外力计算复合结构的有效刚度张量。特别是Simpleware SOLID提供基于均质化的有限元工具，在从高质量的X射线断层扫描数据获取壳体独特微观结构性能的结果中展现出相当大的价值。然后利用这个数据创建壳体的更大区域，缩减工作流程运行时间和降低硬件需求。 结论 剑桥大学开发的工作流程能够准确地模拟壳体内的压缩应力和拉伸应力，并了解如何通过材料中相的分布控制应变。分析还揭示了晶内有机质如何影响整个微观结构的刚度，以及由棱柱状微观结构产生的性能极端各向异性。人们加深了对软体动物贝壳的理解，比如相较于抵抗来自捕食者冲击带来的伤害，贝壳的弹性性能如何在具有游泳能力的物种中适应。 图：Simpleware SOLID模块中向耳廓扇贝壳体棱柱体部分施加Z方向（平行于棱柱体）拉力时的应力分布。方解石棱柱在XY平面显示为绿色，在ZX平面是橙色。有机基质为浅蓝色（XY平面）和深蓝色（ZX平面）。 Simpleware软件在将基于X射线断层成像的有限元分析应用于复杂生物复合材料的研究至关重要。利用这一工作流程，研究人员可以更好地理解生物复合材料的作用机理，以及如何将它们的自适应性延伸至改进其他产品设计的应用。 参考 致谢和更多信息请参考原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/shells.htmlO’Toole-Howes, M., Ingleby, R., Mertesdorf, M., Dean, J., Li, W., Carpenter, M., Harper, E., 2019. Deconvolution of […]

概述 编织复合材料由于其结构特性，特别是在厚度方向的增强作用，使其在航空航天等工业领域得到广泛应用。与传统材料相比，三维编织复合材料还可以降低制造成本和时间，但仍需要设计和测试，以便更好地理解渐进损伤并进行失效分析。在多尺度建模中，理解基础微观结构和缺陷对失效的影响历来都是具有挑战性的。使用 Simpleware 软件基于图像的建模方法与 NCYL 多尺度代码则解决了这些问题，从微观到细观和宏观，在不同的长度尺度上生成精确的网格。 亮点 采用多尺度建模方法（NCYL 代码）对三维编织复合材料进行渐进损伤和失效分析通过 micro-CT 在 Simpleware 软件中建模进行微结构缺陷的原位研究节省计算资源并加深对高价值材料的了解 Simpleware 软件的多尺度网格划分 运用 Simpleware 软件的新方法获得了在不同长度尺度上都高保真和计算精确的模型，用于在代表性体积单元（RVE）尺度理解微观和宏观尺度的关系。采用不同的 SkyScan Micro CT 系统（1173、1076、1076）获取不同长度尺度的图像，从一个 2”x1” 的样本，到一半试样，再到完整试样。考虑到计算效率，在 Simpleware 软件中只取一半的数据进行高分辨率的手动分割，从而减小导出 FE 模型的尺寸。Simpleware 软件可以直接从微观 CT 数据中分割出单独的纤维和基体区域，并构建原位缺陷。 图：不同尺度micro-CT设置参数对比 在 Simpleware ScanIP 模块对图像数据中每根纤维束进行分割并重建成三维结构。由 micro-CT 数据创建的Simpleware 模型重现了复合材料中的原位微观结构缺陷。 图：拉伸试件在Simpleware ScanIP中的纤维分割 模拟结果 扫描图像数据的代表性体积单元（RVE）也是在 Simpleware FE 中进行网格划分获得，可用于捕捉几何缺陷。将生成的有限元网格导出为 Abaqus 的格式，其中包含所有的有限元和节点信息以及纤维路径取向。 采用纤维-基体尺度的RVE预测纤维束有效性质以及复合材料的聚合物基体中微裂纹和微损伤的影响，继而以此从细观尺度在宏观有限元分析中预测刚度和应力。 图：纬纱纤维束断裂为两半 图：试件最终拉伸断裂 图：试件最终拉伸断裂（三维等轴视图） 结论 一个分析缩比模型（NCYL）也为三维编织复合材料重的渐进损伤和失效分析提供了计算效率高的框架。渐进损伤和失效分析的模拟结果与实验数据吻合良好，研究了纬纱方向的面内弹性模量。全局-局部建模策略得益于基于图像建模的原位微观结构缺陷的因素，而缩比细观力学模型能够预测均质纤维束的有效非线性响应。本案例为研究者提供了一种具有较低计算成本的方法，适用于研究高价值复合材料中的大尺度渐进损伤和失效分析。 参考 […]