概述 铁路所使用的摩擦材料如受电弓滑板和车轮踏面制动器，大多都由复合材料制成。而复合材料的宏观性能在很大程度上取决于其几何微观结构，如尺寸、形状和成分的分布。传统的铁路材料倾向于通过试错进行试验开发。为更有效地改进和开发材料，可通过数值仿真研究材料微观结构与宏观性能间的关系。 本项目利用 X 射线计算机断层扫描技术开发了一种基于图像的浸金属碳微观模型，通过均质化方法评估其杨氏模量、热导率和电阻率，计算分析应力、温度和电流密度的分布。 图像处理 本研究所用受电弓滑板的材料为浸金属碳（PC78A），由多孔碳与铜浸渍制成，认为几乎是各向同性。 表1：PC78A 的材料性能和各成分的体积分数 使用 Bruker SkyScan 2211 CT 扫描设备获取 PC78A 的微观结构，导入Simpleware 软件进行图像处理。为缩短图像处理时间，先将像素间距从 1 μm 调整为 3 μm，采用中值滤波器去除脉冲噪声。 图1：CT 扫描获得的图像数据 裁剪边长为 600 μm 的立方体（模型 600）作为感兴趣区域，基于灰度值将图像分割为铜、碳和空隙。考虑到后续产生网格单元的数量和计算资源，将空隙区域体素小于 10 和铜中体素小于 50 的部分重新划分为碳的区域。按照不同位置将模型 600 分为 8 个边长为 300 μm 的立方体（模型 300①-⑧）。在 Simpleware FE 模块为所有模型 300 生成高质量的网格模型。 图2：模型 600 中不同模型 300 的位置关系 图3：图像分割结果和生成的网格模型 将模型 600 与模型 […]

概述 木材是一种来自树木或木质植物的天然物质，在建筑、燃料、器皿、乐器和其他复合材料行业都有广泛应用。在燃料领域，木材也成为探索新型电极材料的关注点。木质纤维素和多通道微观结构有助于钒液流电池充电中离子导电型电解质的传质。无论是实验还是设计工作，研究控制介质传递热量内在能力的导热系数都具有非常重要的实际意义。 本项目提出一种结合 X 射线显微计算机断层扫描（μCT）和有限元分析（FEA）在介观尺度测试木材导热系数的方法。通过对具有两相成分（早材和晚材）的真实木材进行三维重建，研究纹理、孔隙率和水饱和度对木材导热性能的影响。 图像处理 本研究所用为松树锯材，纹理层是深/亮黄色交替的图案。纹理表示树木不同季节形成层活动下细胞纤维的取向，可分为早材和晚材。早材层源自薄壁木质细胞，呈现出明显较浅的颜色和较宽的线条图案。晚材呈现为较暗的线条图案，通常在夏季生长更密集且细胞壁含量更高。木材形成的纹理使其具有各向异性的材料特性。采用 μCT 在介观尺度获得木材试样的内部几何结构，尺寸为 15 × 15 × 20 mm。 图1：尺寸为 15 × 15 × 20 mm 的木块 考虑到计算资源和耗时，从三个不同位置裁剪 4 × 4 × 4 mm的感兴趣区域（ROI）作为模拟和分析的计算模型。对三个 ROI 的模拟结果进行平均得到具有统计代表性的均匀场，考虑到了整个木材纹理密度的异质因素。 图2：X-Y 和 X-Z 平面上木材断层扫描图像的分割 为了解尺寸对热传导模拟可靠性的影响，将 ROI 裁剪为体积从 1 mm3 到 64 mm3 的立方体模型。试样编号如 W4-T-0.8-0.6，W 表示木材；4 为模型边长 4mm；T 表示木纤维的横向（P 表示平行于木纤维）；0.8 是早材孔隙率；0.6 是晚材孔隙率。 图3：不同尺寸的木材介观尺度结构（a）4 × 4 × 4 mm（b）3 × 3 × 3 mm（c）2 × 2 × 2 mm（d）1 × 1 × 1 mm 在 Simpleware […]