人工智能技术加速3D打印心脏模型【Simpleware应用】

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概述 Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室（APL）需要为一名青少年患者制定一项复杂的手术规划，该患者左冠状动脉异常起源于右主动脉窦，伴壁内、动脉间行程。 病理的复杂性决定了对患者心脏进行3D CT扫描（DICOM格式）十分必要，而3D打印模型将有助于医生团队为手术规划展示心脏通路。因此，他们利用Simpleware软件对DICOM图像数据进行自动化分割，在短短15分钟内就成功创建出能够直接用于3D打印的模型。本案例中打印模型所用设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 亮点 Nicklaus儿童医院心血管外科APL团队在他们的常规工作流程中使用Synopsys公司的Simpleware软件进行3D解剖模型打印；Simpleware的AI工具有助于快速创建出超高精度模型；打印出高质量3D解剖模型的设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 介绍 3D解剖打印可以为临床医生带来众多益处，包括增强病理的可视化和测量以支持标准手术与复杂手术的规划，同时也能够整合医疗器械（如有适用）。Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室（APL）正在利用包含全息医学3D可视化和3D打印在内的各种先进技术促进加强手术规划、改善患者体验。作为美国最早应用3D打印技术进行手术规划和教育的机构之一，Nicklaus儿童心血管外科APL已经打印超过500例心、脑、脊柱、四肢等器官的模型。 Nicklaus儿童医院的Robert Hannan、MD、Thomas Haglund和Muhanad Shraiteh与Synopsys的Simpleware产品团队通力合作，开发出将患者影像数据转换为Stratasys 3D打印机适用模型的解决方案。打印得到的3D解剖模型有助于临床医生规划儿童心脏手术。在本案例研究展示的示例中，心血管外科APL团队使用Simpleware软件强大的人工智能（AI）工具加快为青少年患者创建心脏模型的工作流程。 Simpleware 软件中的自动化分割和打印准备 将患者的心脏CT扫描数据导入Simpleware ScanIP Medical和自动分割模块Simpleware AS Cardio，一键点击即可完成分割和标记。此过程显著改善了准备3D图像数据最常见的瓶颈之一。（视频：使用Simpleware AS Cardio进行心脏的自动分割：展示了典型现有分割工具与Simpleware AI产品之间的耗时差异。）

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拉伸载荷下三维编织复合材料的直接数值模拟【Simpleware应用】

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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 […]

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稀土掺杂单层二硫化钨的电子和光学性质【QuantumATK亮点文章】

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概述 此项研究了计算了含钬取代杂质（HoW）单层二硫化钨（WS2）的电学和光学性质。虽然 Ho 比 W 大得多，但使用包括自旋-轨道耦合的密度泛函理论（DFT）表明 Ho:SL WS2 是稳定的。自旋分辨 DFT 计算给出 Ho 杂质的磁矩为 4.75µB。在光谱中识别出的光学选择规则与用群论推导的光学选择规则完全匹配。中性杂质的存在导致了带结构中具有f轨道特征的局域杂质态（LIS）。利用 Kubo-Greenwood 公式计算得到的光学响应 χ‖ 和 χ⊥ 的平面内和平面外分量中获得了类似原子的尖锐跃迁，光学谐振峰与实验数据吻合良好。 研究内容 图1.（a）8×8×1 SL WS2 超胞中 HoW 杂质示意图。（b）本征 SL WS2 的能带和态密度，显示面内带隙 1.6 eV，面外带隙3.2 eV。 价带边缘由于自旋轨道耦合（SOC）发生了大小为 433 meV 的劈裂。DOS 中的灰色区域为总态密度，红线为 W 的 d 轨道；蓝线为 S 的 p 轨道，黑线为二者之和。（c）本征 WS2 的光学响应，显示了面内和面外的带隙。 图2. HoW 掺杂的 8×8×1 WS2 超胞的能带和态密度。灰色区域为总态密度，彩色曲线为态密度投影（蓝：Ho 原子的f轨道；绿：邻近 S 原子的 p 轨道；红：次紧邻 W 原子的 […]

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三维足部数值模型在跑鞋设计中的应用

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模拟可以节省时间、成本和材料 ASICS（亚瑟士）利用三维计算模型更好地了解跑鞋稳定性的作用。通过仿真进行优化，降低跑步者下肢受伤的风险，并提高性能。鞋底结构和脚跟外翻角度对于研究稳定性尤为重要。除实验方法外，在Simpleware软件中创建模型后导入至Abaqus仿真工具，可以帮助ASICS减少原型开发设计的时间、成本和制造废料。 亮点 在Simpleware ScanIP中由CT数据生成高精度、多部三维足部模型在Abaqus中的仿真用于准确预测鞋底稳定性ASICS成功地更新鞋底设计，提升性能该技术帮助ASICS减少原型开发设计的时间、成本和制造废料 生成足部模型 为预测鞋子的稳定性，对一名健康女性志愿者的足部进行X射线CT扫描。将图像数据导到Simpleware ScanIP软件，创建3D模型，然后生成代表足部不同部位（软组织、骨骼、软骨、韧带和足底筋膜）的有限元模型。模型的细节使ASICS对解剖模拟的精确性充满信心。 图：考虑到软组织、骨骼、软骨、韧带和足底筋膜的非均质数值模型 模拟跑鞋性能 本案例在Abaqus v.6.14 – 2中通过模型计算三种硬度聚合物泡沫板的变形模式。仿真结果与实验测试吻合良好，验证了仿真可以作为一种新的方法，用于丰富ASICS现有的研究。数值模型被证实能够准确预测鞋底的稳定性，指导ASICS成功更新鞋底设计，为客户提高性能。 图：根据对应足平阶段的模型计算脚跟外翻角度 图：在运动捕捉系统的测力台测量脚跟外翻角度和鞋稳定性参数 结论 ASICS已经成功创建针对特定运动状况量身定制的精确、高度优化的模型。因此，该模型对于鞋的稳定性设计、降低原型成本和时间、跳过实体原型提高耐久性具有重要价值。该产品已被作为设计实践的范例，本研究有助于提升对跑鞋稳定性的理解，减少跑步中接触阶段脚关节的过度运动或外翻。 图：使用Simpleware软件开发的ASICS GEL – Kayano 25（2018年6月1日发布） 参考 更多信息与致谢参见英文原文： https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/3d-numerical-foot-model.htmlM. Nonogawa, S. Nakaya, M. Isobe, K. Takeuchi, H. Azegami, 2021. Developing a three-dimensional numerical foot model and identifying the loading condition for designing a stable sole for running shoes, Mechanical […]

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分析增材制造冠状动脉支架【Simpleware应用】

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概述 激光粉末床熔合技术（L-PBF）在金属增材制造（AM）方面的发展能够实现在微米范围内制造出高度多孔的细胞结构，因此理论上可以用于制造冠状动脉支架。 然而，工艺产生的不平整带来了特别的挑战，导致实际的 L-PBF 支架与预期支架（CAD 模型）在形态和力学性能上都存在偏差。本次分析着重关注 L-PBF 支架的膨胀行为。为进一步研究这些不平整造成的影响，基于真实和计算机重建L-PBF 支架建立实验和计算的联合框架。 亮点 使用Simpleware ScanIP 基于 µCT 数据重建 L-PBF 支架模型使用 Simpleware FE 生成稳健高效的支架网格模型，使用 Abaqus FEA 软件进行后续的结构分析基于重构的支架模型，采用实验测试和数值分析相结合的方法反演确定 L-PBF 支架的力学性能分析工艺产生的不平整对力学行为的影响，特别是 L-PBF 支架的膨胀行为。 实验数据 由 FIT Production GmbH 公司制造的激光粉末床融合（L-PBF）支架，考虑了两种分析 L-PBF 支架的后处理状态：1）热处理；2）电抛光和热处理。在支架被放置在两块板之间压缩以确定它们的径向强度之前，首先获取支架结构的 µCT 图像。在原始的实验中还对制造的支架做了进一步研究（详见参考信息）。 支架模型重建及FEA 将 µCT 数据导入 Simpleware ScanIP，使用 Flood Fill 工具进行分割，计算内部孔隙率。使用形态滤波器（erode、dilate、open和close）和 Boolean 布尔运算，生成内部空隙的三维模型。在 Simpleware FE 模块中对支架模型进行网格划分，由稳健的算法生成高质量的 FE 网格。然后将支架模型直接导入 SIMULIA Abaqus FEA 软件进行结构力学分析，重点研究支架在两个平板间的压缩和支架—球囊的扩张。 图：三个模型离散化图示。从左至右分别为：重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。 图：三个模型在压缩 0.8 mm 时外表面 […]

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利用机器学习原子间势实现单层MoS2–WS2合金的热性能模拟【QuantumATK亮点文章】

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背景 二维量子材料有望改变传统电子学，实现涵盖化学科学的广泛应用。为了研究单层（1L）或多层过渡金属二卤化物（TMD）中的热输运，作者探索了密度泛函理论（DFT）和训练算法的结合，生成了模拟 1L-MoS2、1L-WS2 及其合金（混合结构）的矩张量势（MTP）力场，并展示了理论技术的协同将在该领域发挥重要作用。从高性能计算的角度来看，所产生的非常方便的原子间势（或分子间势），可用于预测量子材料对热扰动或其他驱动力的响应。 研究内容 作者将数百个来自原子位置微扰和分子动力学轨迹的单层结构作为训练集用于 MTP 力场的训练，对比了用所得到的 MTP 力场计算的声子性质与 DFT 和 SW 力场计算的结果。训练得到的 MTP 力场很好的描述了体系的振动特性及其热导率。 图：多种方法得到的声子谱对比。 图：多种方法计算得到的特定声子振动模式频率随组分的变化。 作者将得到的 MTP 力场用于晶格声子热导率的计算，对比了非平衡分子动力学（NEMD）和非平衡格林函数（NEGF）两种方法的结果。 图：将 MTP 机器学习力场用于NEMD和NEGF方法的热导率计算。 结论 作者的结果表明，机器学习的 MTP 力场可以准确地再现原始和合金 1L TMD 的声子结构和热传输特性。1L-MoxW1-xS2 合金结构在不同浓度下具有独特的声子谱特征，但观察到的热传输特性对组分的依赖性非常低，这使得通过混合不同原子种类来设计类似材料的热传输特性成为可能。此外，2D 合金结构对硫空位不敏感，热导率几乎不受硫空位的影响，这一行为可能有助于微调材料的热性能，以用于热管理和能量存储和转换应用。这也提示我们可以不依赖于获得无缺陷晶体材料的昂贵技术来制造器件。最后，模拟精度在更大程度上取决于参考 DFT 方法和训练集，因此，对于实际模拟体系来说，可以不需要计算成本高、冗长的优化步骤，就能获得合理的结果。 参考 Juan M. Marmolejo-Tejada et al. Thermal properties of single-layer MoS2–WS2 alloys enabled by machine-learned interatomic potentials. Chem. Commun., 2022, 58, 6902–6905. https://doi.org/10.1039/D2CC02519A更多信息：机器学习力场ML-MTPs与流程自动化新兴的低维电子材料研究

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纤维增强复合材料的模拟

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概述 由于复合材料的复杂结构和材料特性，碳纤维增强材料的测试通常比较困难。为解决这个问题，岛津公司（Shimadzu）和 Cybernet Systems 的研究人员开发了一个可以比较 CAE 分析与织物材料真实测量的工作流程。 本案例研究展示了 CAE 分析的工作流程，采用微焦X射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性（CFRTP）织物材料，获得其内部结构。将扫描结构导入 Simpleware 软件重建后进行多尺度分析和微观尺度的断裂行为模拟。测试系统的实测与 CAE 多尺度分析结果的比较可论证该技术的价值。 亮点 使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件重建复杂复合材料的内部结构。利用 CAE 工具进行多尺度分析模拟，Sim™ 工具有助于加深对材料性能的研究。该方法有助于行业内结合测量和分析技术，从而更高效地进行材料和产品设计 介绍 用于运输的碳纤维增强材料和其他复合材料可以设计为减重和环保的复合材料。但复合材料内部结构的复杂性和材料性能的各向异性导致测试会比较困难，需要一种实际测量与仿真相结合的产品设计方法应对这一挑战，这对具有复杂材料性能和变形行为的纤维增强复合材料尤为重要。 为了解决这个问题，研究人员开发了一个包含 Simpleware 软件作为其中一环的 CAE 分析工作流程，比较CAE 分析与实际测量的结果。采用微焦 X 射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性（CFRTP）织物材料获取内部结构，然后进行多尺度分析，模拟微观尺度的断裂行为。将测试系统的实测结果与 CAE 多尺度分析结果进行对比，论证该技术的价值。 微观结构的生成 为利用均质化技术预测材料的物理性能参数值，需要提供用于分析模型的微观结构形态作为已知量。使用 Ansys®的 Multiscale.SimTM 插件基于微观结构的形态参数生成模型，对默认的结构数据（模型1）和采用微焦 X 射线 CT 系统（inspeXio™ SMX™-225CT FPD HR, Shimadzu）扫描的 CFRTP 织物材料生成的结构数据（模型2）进行虚拟材料测试/数值材料测试（NMT）。 将图像数据导入 Simpleware […]

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分子电子学研究案例集【一】

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稳定的通用1输入和2输入单分子逻辑门 可控单分子逻辑运算将使高密度计算的可靠极简电路元件的开发成为可能，但需要来自分子结中多个正交输入的稳定电流。利用栅控 Au/S-(CH2)3-Fc-(CH2)9-S/Au（Fc：二茂铁）单电子晶体管的两个独特的相邻导电分子轨道（MOs）提出了一种稳定的单电子逻辑计算器（SELC），它可以实时调制输出电流，并将其作为正交输入偏压（Vb）和栅压（Vg）的函数。可靠低压（ǀVbǀ≤ 80 mV，ǀVgǀ≤ 2 V）下 SELC 的运行取决于电流共振与 MOs 能量位移的明确关联（恒定、较小的能量分离≈100 meV），以响应电压的变化，这已通过电子传输计算得到证实。通过实现通用 1 输入（YES/NOT/PASS_1/PASS_0）和 2 输入（and/XOR/OR/NAND/NOR/INT/XNOR）的所有逻辑门，证明了基于两个共振和库仑阻塞区之间的SELC调制电流转换的稳定多逻辑操作。【Adv. Mater. 2022, 2202135. https://doi.org/10.1002/adma.202202135】 三角形和方形环丙基锂衍生物分子的大负微分电阻 与六边形碳结构不同，最近合成的 [{μc-CSiMe3C2H4}Li]4 环丙基锂衍生物分子同时具有三角形和四边形环，可能显示出有趣的电子特征。基于第一性原理计算，研究了该分子与碳链电极接触时的电子输运。观察到较大的负微分电阻（NDR）现象。此外，发现 NDR 对垂直于输运方向的侧支路上的掺杂具有强壮性，但对主支路上的掺杂敏感。在所有的掺杂案例中都发现了 NDR，表明这是此类体系的固有特征。进一步的分析表明，正是由于费米能级附近的能量状态从离域到局域化的变化所引起的透射峰的抑制触发了NDR。【Physica B: Condensed Matter, 639 (2022) 413989. https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413989】 基于二极管结构的分子三值逻辑门和电路建模 分子电子学中的建模非常重要，使用半导体元件进行此类建模加速了该领域的发展进程。在这项工作中，提出了一个用于模拟分子元件的典型电路模型。因此，对不对称低聚亚苯基乙烯（OPV）分子二极管和联吡啶-联硼酸盐分子二极管进行了建模。所提出的电路模型的电流曲线与分子的原子模拟结果吻合良好。此外，利用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）获得并分析了联吡啶-双硼氨酸分子二极管在 + 1V和 −1V电压下的电子密度、分子轨道分布和 电势降落。利用基于分子器件的不同分子门和电路，作者对三值NOT逻辑门、三值NOR逻辑门、三值NAND逻辑门、负三值反相器（NTI）逻辑门、正三值反相器（PTI）逻辑门、三值缓冲器、三值译码器和三值半加器进行了建模。【J Mol Model 28, 130 (2022). https://doi.org/10.1007/s00894-022-05118-7】 通过侧栅官能团施加偏压改善分子结整流性能 分子二极管是最重要的分子器件之一，有望成为分子逻辑电路中的电子元件。控制电子输运以提高分子二极管的整流比是研究人员的重要目标。本文基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统地研究了二嵌段共聚低聚物分子的整流性能。数值结果表明，侧栅官能团可以略微提高二嵌段分子二极管的整流比，但对分子结的电子输运产生明显的阻碍作用。利用电极突起与侧栅组接触，引入偏置电压来调节分子结的电子输运。通过这种策略，在正偏压区，最低未占据分子轨道（LUMO）进入偏压窗口的电压明显降低，从而进一步显著提高了分子二极管的整流比。计算还表明，正偏压下LUMO的离域性小于负偏压下LUMO的离域性，这不利于提高二嵌段co低聚物分子二极管的整流性能，因此在实验制作中很难获得很大的整流比。【Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 140(2022), 115186. https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115186】 利用Cucurbit[8]uril超分子配合物在π-堆积吡啶二聚体中有效的分子间电荷输运 通过 π 共轭分子的分子间电荷输运在生物化学氧化还原过程和能量储存应用中起着至关重要的作用。在这项工作中，作者观察到吡啶分子在合成宿主（cucurbit[8]uril，CB[8]）空腔中二聚时的高效分子间电荷传输。吡啶分子与CB[8]之间形成稳定的同三元络合物，结合亲和力高，导致主体空腔内两个吡啶的偏移堆积几何结构。利用扫描隧道显微镜断开结（STM-BJ）技术表征了游离吡啶和二聚吡啶的电荷输运性质。作者的结果表明，π堆积吡啶二聚体表现出与孤立的单一吡啶分子相当的分子电导，尽管存在更长的传输路径和从分子内电荷传输到分子间电荷传输的转换。使用 CB[8] 同系物（cucurbit[7]uril，CB[7]）进行的对照实验表明，合成宿主主要用于促进二聚体的形成，对分子电导的作用最小。利用密度泛函理论（DFT）进行的分子模拟表明，吡啶分子在主空腔内二聚后平面化，这有利于电荷传输。此外，π 堆积的吡啶二聚体具有较大的分子间 LUMO–LUMO 耦合，导致分子间电荷传输增强。总的来说，这项工作表明超分子组装可以用来控制 π 堆积分子中的分子间电荷输运。【J. Am. Chem. Soc. […]

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航空航天零件的增材制造与质量控制【Simpleware应用】

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概述 增材制造（AM）是航天工业中非常有价值的工具，特别是与无损检测方法相结合，例如通过X射线计算机断层成像检测和分析缺陷；与有限元建模（FEM）相结合可以量化零部件中缺陷产生的影响。 本项目对用于 TARANIS 卫星的铝合金AM零件进行分析，确定材料内部孔隙的位置。利用 Simpleware 软件生成的有限元模型验证其结构完整性，采用随机振动模型与 CAD 建模和拓扑优化的结果进行对比。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 软件对铝合金零件的X射线 CT 数据进行分割和处理使用 Simpleware FE 模块生成用于可在 ANSYS Workbench 中进行仿真的模型结果验证了 AM 方法用于比较CAD模型和设计零件，用于空间任务的应用 图像处理 利用 X 射线 CT 扫描获取包含缺陷的铝合金零件图像数据。采用 Simpleware ScanIP 软件从图像空间中分割出构件的主体，创建结构的初始掩模；删除与主体无连接部分的掩模区域。使用 Paint 和 Paint with threshold 工具精准分割结构，减少金属伪影。然后对分割后的几何结构进行平滑处理，增加网格划分前表面的平滑度。 图：在 Simpleware ScanIP 中由 CT 数据分割出铝合金 AM 零件 网格划分&有限元分析 图：在Simpleware生成可导出至ANSYS Workbench的网格模型 运用 Simpleware FE 模块的算法对结构进行网格划分，在保持感兴趣特征细节的同时自动生成粗网格。在结构顶部设置网格精细区域，并在螺孔区域添加节点集。最后将生成的网格模型导出至 ANSYS […]

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全髋关节置换植入物定位【Simpleware应用】

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概述 植入物定位是全髋关节置换术的一个重大挑战。植入物必须要很好的适合并放置在髓管内，尽量使股骨—植入物的接触面积最大化。然而植入物位置的实验测试会超出成本的限制。另一种选择是使用计算模型在产品研发初期就综合分析植入物的位置。尽管这种方法并不是为了取代实验，但它可以帮助外科医生更好地理解植入位置对原发或继发稳定性的影响。结合 Simpleware 软件与 ANSYS 创建自动化的工作流程，整合 CAD 设计的植入物和股骨 CT 扫描，生成用于微动分析的有限元模型。模拟结果生成的响应面证实了位置变化对微动的影响。 亮点 在Simpleware软件中整合CAD植入物和股骨CT扫描在Simpleware软件中生成FE网格通过脚本自动生成多组植入物位置/方向在ANSYS Workbench中进行植入物微动的模拟对结果进行后处理并生成响应面预测植入物位置的最佳和最差情况 图像处理和CAD整合 使用Simpleware ScanIP和Simpleware CAD将由CT扫描进一步处理获得的分割后的股骨模型与CAD设计的植入物结合。然后利用Simpleware FE生成有限元网格，导出至ANSYS Workbench中进行微动模拟。通过Simpleware API运用Python脚本自动生成多个植入位置，而无需耗费大量时间手动调整。 图：使用Simpleware CAD将分割后的股骨与CAD设计的植入物结合 FE网格生成 在本例中，为每个植入位置生成有的限元网格包含股骨的约10000个节点和38000个单元，钛金属植入物模型约2000个节点和6000个单元。采用Simpleware软件的自动转换算法基于原始扫描的CT值（Hounsfield单位，HU）为股骨分配标准材料属性。为模拟约束和加载条件给植入物和股骨添加节点集，在植入物—骨界面处的网格细化也增加了模拟的真实性。 图：使用Simpleware FE对股骨和植入物进行网格划分 应力分析&响应面模型 将初始的有限元模型导出至ANSYS Workbench，在上千个可能的候选的基础上产生成功的微动模拟。利用Kriging回归法对425个成功模拟点进行插值，生成响应面模型（RSM）。 ANSYS Workbench模拟可以利用RSM确定导致微动最高和最低可能值对应的植入位置。外科医生可以根据这些结果解释和预测植入物的最佳和最差位置。 图：在ANSYS Workbench中获得的最佳位置（左）和最差位置（右） 结果：最佳/最差的植入位置 利用Simpleware软件和ANSYS结合图像数据与有限元分析，成功地开发了一种用于分析植入物与股骨间相互作用的自动化工具。采用的响应面方法使人们深入了解微动对定位的敏感性。 随着该工具可行性的建立，进一步的工作可以集中在研究多个植入物设计在患者群体的分析。因此除了植入物研发之外，该工具在手术规划方面也有非常重要的应用。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/total-hip-replacement.html。

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  • 水滑石/硼酸锌/改性环氧树脂复合阻燃涂层的制备及其阻燃性能研究背景 发泡聚苯乙烯泡沫具有保温、吸水、抗压减震、耐候性好等优点，被广泛应用于产品包装、建筑消防、化工生产、汽车工业和航空航天等众多领域。根据相关统计，普通 EPS 阻燃性能较差，暴露在明火中容易发生分解燃烧，且燃烧时伴随着大量的浓烟和刺鼻气体，对人体和环境构成巨大威胁。因此，提高 EPS 的阻燃和抑烟性能至关重要。 研究内容 本研究由沈阳理工大学和辽宁工程技术大学等单位合作，基于机器学习势方法，使用 AMS 软件中的 ML Potential 模块完成燃烧模拟工作。构建铝镁水滑石、硼酸锌、聚氨酯和环氧树脂阻燃涂层晶胞模型。通过模拟手段从微观层面对涂层体系进行燃烧反应研究，该方法不仅能够直接获取涂层结构体系的燃烧演化过程，还能够利用微观阻燃机理揭示宏观阻燃现象。 图1 涂层分子模型 在 15000 fs 内，三种涂层体系内的总分子数量随温度升高而快速增加；15000-27500 fs 内，分子数量发生小幅度上下波动，说明燃烧逐渐减弱，分子的消耗和生成逐渐趋于平衡；25750-30000 fs 内，分子数量随温度降低而逐渐减少。0-2500 fs 阶段，涂层体系内势能的增加表明发生吸热反应；2500-27500 fs 阶段，体系内势能缓慢降低；27500-3000 fs 阶段，体系势能随温度降低而快速减小。 图2 燃烧过程中体系分子数量和能量的变化规律 [...]
  • Co-TMDC 磁性隧道结：自旋电子学的新前沿研究背景 过渡金属二硫化物（TMDCs）因其优异的电子和光学性能，成为各种应用中非常有前景的材料。这些材料的单层、少数层和块体多层结构可以通过各种方式进行合成，对材料的掺杂、缺陷工程和异质结构制备等技术还可以实现性能的定制。磁隧道结（MTJ）由两个被绝缘薄层隔开的铁磁电极组成。当铁磁电极的磁矩的平行（反平行）配置时，MTJ 表现出最小（最大）电阻，电阻的变化幅度可以以隧穿磁电阻（TMR）表示。在二进制术语中，这些电阻最小（最大）状态对应于 0/1。这些磁性比特的状态可以通过自旋转移力矩（STT）、自旋轨道力矩（SOT）或外部磁场来操纵。MTJ是自旋电子学的基本器件单元，主要用于读取和写入器件的磁性状态。其低功耗、大面积可扩展性、几乎无限的耐久性和非易失性使其适用于各种应用，如模数转换器、微波发生器、振荡器、磁传感器、非易失触发器、神经形态计算机、全加法器、基于自旋的 NANDS、自旋逻辑和磁随机存取存储器（MRAM）。 研究内容 作者研究了 Co/XY2/Co（X∈（Mo，W），Y∈（S，Se，Te））构成的高自旋极化电流的磁隧道结（MTJ）。密度泛函理论（DFT）用于计算基态电子性质，非平衡格林函数方法则用于量子输运计算。 图1. Co/XY2/Co 的结构示意图 [...]
  • 锂电池电极建模：基于 CT vs DFN 模型概述 随着电池制造业持续发展以应对交通电动化需求，企业获得加速电池设计与优化进程并降低成本等商业优势的同时也承受着日益增长的压力。新型材料和应用频繁且往往出人意料地涌现使快速优化锂离子电池（LIB）设计对制造商来说极具挑战性，必须摆脱对试错法的依赖，转向包括采用数学建模的更高程度自动化。 LIB 建模的基准模型 Doyle-Fuller-Newman（DFN）框架基于物理的连续介质模型且融合了多孔电极理论，而基于 CT 扫描图像重建的三维模型能够捕捉颗粒的真实几何形状。本研究基于 CT 和 DFN [...]
  • 【辽宁工程技术大学】褐煤在ReaxFF MD高温条件下的燃烧机理分析（Fuel 2025）研究背景 褐煤作为一种低阶煤，有挥发分和水分含量高的特点，导致其热值较低且易发生自燃，严重影响着能演工业的储存、运输和利用。当前研究从宏观层面揭示了褐煤的燃烧机制，但其背后具体的分子级燃烧特性尚未被充分理解，特别是在不同高温条件下的反应路径与动力学行为仍缺乏系统研究。目前，对于褐煤在高温下燃烧行为的系统性数据匮乏，制约了其化学动力学机制的深入挖掘。因此，深入了解褐煤的燃烧特性与自燃特性，并在此基础上优化其燃烧过程，对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要的现实意义。本文以神木褐煤为对象，基于表征实验构建并优化其大分子结构模型，采用Amsterdam Modeling Suite（AMS）软件与ReaxFF MD方法，对其在不同高温条件下的燃烧过程进行了系统模拟。重点分析了不同温度下神木褐煤的总势能变化、燃烧产物特征及其高温燃烧机制。模拟结果验证了自由基在煤燃烧反应链中的关键作用，尤其在高温条件下，通过自由基的持续生成与消耗维持复杂的燃烧过程。目前该文于2025年4月6日以“Construction of macromolecular model of Shenmu [...]

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