利用自由式三维超声无创监测动静脉瘘

Posted · Add Comment

概述 终末期肾病（ESRD）患者需要通过动静脉瘘（AVF）接受血液透析，血液透析患者的发病率和死亡率都很高，30% 的患者在第一年内要手术干预 AVF。功能良好的 AVF 始终要具有适合透析的高血流量，新内膜增生引起通路狭窄可能会导致血管通路（VA）失功。磁共振血管造影（MRA）、计算机断层扫描血管造影（CTA）和血管造影最常用于血管网络的 3D 成像，但依赖于熟练的操作员、昂贵的设备和静脉造影剂的使用，造影剂也可能会给 ESRD 患者带来副作用。 因此超声成为一个可行的选项，通过获取 B 模式切片并为它们分配全局位置和方向，空间对齐即可创建三维体积模型。这种 3D 自由式超声已应用于神经导航、乳腺癌放疗计划、脊柱成像及前列腺活检等。本项目开发了一种便携式 3D 自由式超声系统，可在临床环境中扫描患者的 AVF，重建和分析同一患者不同时间的脉管系统。本方法适用于需要在医院进行多次透析治疗的 ESRD 患者，监测高风险的血管通路失功。 亮点 使用自由式超声对动静脉瘘进行无创3D成像在 Simpleware 软件中重建和分析三维模型为 ESRD 患者提供监测血管通路失功的有效方法 图像获取 自由式 3D 超声系统由超声仪和线性超声波换能器（Mindray, L14-6NS, 14MHz, 38mm FOV）组成，换能器通过红外 3D 摄像机跟踪。在工作站笔记本电脑上运行 MATLAB 中的自编软件，启用图像用户界面实现扫描的可视化和质量反馈。为了进行必要的 3D 转换，需要校准确定追踪标记点到超声帧的空间和角度偏移，这些值的初始测量通过每个平面旋转运动的误差最小化得到了改善。大多数 AVF 患者每周至少要去医院进行 3 次透析治疗，本项目设计的扫描过程仅需要患者 5-10 分钟的时间，非超声医师也能够操作。 图1：自由式三维超声系统 图像处理 将处理后的切片图像堆栈导入 Simpleware ScanIP 软件，使用中值滤波去除噪声，通过基于像素强度的阈值分割技术获得脉管系统。在高密度的堆栈中，可以采用间隔地涂画切片并利用插值重建或者重采样的方法缩短分割时间。应用 Recursive Gaussian 平滑后，以 […]

Read More

AMS2023版发布

Posted · Add Comment

AMS(Amsterdam Modeling Suite)发布了2023正式版，在ReaxFF分子动力学、材料力学性质模拟、化学反应分析与探索，以及DFT高精度计算尤其是GW方法、RPA近似方面有所改进。更详细的新功能介绍与教程，我们将会在AMS知识库中逐渐新增。 计算引擎 机器学习力场 M3GNet-UP-2022 几乎适用于所有材料升级的ASE 接口用于AMS、PLAMSQuantum ESPRESSO 7.1  （适用于 Linux/Mac）TASKCC 泛函：提供更好的原子化能量分子体系DFT计算：r2SCAN-3c(STO)RPA 近似：sigma-functional限制性开壳层分子计算(要求整数占据，自旋极化>0)，及其TDDFT计算溶剂化方法 3D-RISM 计算焓、溶剂化自由能TD-DFT+TB 激发态结构优化分析: 新的 NOCV 选项, 基于 SFO 的准粒子轨道, 新的PolTDDFT 分析选项，开壳层  IQA(Interacting Quantum Atoms) 光谱：GW-BSE: Bethe Salpeter equation：G0W0-BSE, evGW-BSE, qsGW-BSE，含自旋轨道耦合ECD谱（含自旋轨道耦合）开壳层杂化泛函计算激发能的HDA近似，能够节省大体系计算量磷光发射等Franck-Condon谱计算：自动考虑振动激发量子数周期性体系DFT计算：自洽迭代收敛性改进增加了 GTO 基组选项MP2、RPA 近似、GW 方法计算分子 有机电子学 qsGW+BSE 精确计算激发能（可考虑自旋轨道耦合）OLED workflows 更多新工具（包括更精确的电子态、激发态性质，以及GPU加速的LAMMPS分子动力学）振动极化率 化学反应 ACE-Reaction： 反应网络的快速预测分子动力学纳米反应器：通过球形约束反应器的周期性的膨胀收缩，加速气相、液相、超临界相化学反应事件发生。势能面探索与表征工具：局部最小值、一阶鞍点、高阶鞍点创建动力学数据作为 CatalyticFOAM 输入，用于反应器尺度的模拟改进 ChemTraYzer2：布居统计统计指定化学键、分子数量变化曲线PyZacros：集成到 AMS 中，用于模拟催化表面分子现象的动力学Monte Carlo软件 分子动力学 摩擦系数计算杨氏模量、剪切模量、体模量、泊松比、屈服点的计算 流体与药物设计 新的构象搜索/结构筛选/热力学玻尔兹曼平均光谱的计算COSMO-UNIFAC 方法发布：UNIFAC 参数中可选QSPR预测液体粘度、蒸汽压，以及三相点温度、合成难易程度、溶度参数、等张比容、介电常数等 粘度预测值与实验值符合的较好 AMS最新应用案例 ADF 应用案例：分子与团簇 DFT […]

Read More

结合Simpleware 与 nTopology 实现患者个性化手术导板制作过程中的自动分割和设计工作流

Posted · Add Comment

概述 新的医疗器械技术使开发高质量、完全定制化的 3D 打印器械成为可能，有助于提高手术效率并改善患者预后。然而，随着对这些高度定制化器械需求的增长，为适应更高的处理量，在改进工作流的过程中受到了手动操作任务的限制，因为需要投入大量的劳动力和时间。急需克服的一些关键瓶颈包括分割患者图像数据和开展针对患者增材制造设计（Design for Additive Manufacturing，DfAM）的工作流程创建 3D 打印器械。 Simpleware 软件团队与 nTopology 合作，为定制手术导板开发了一个无缝、针对特定患者的设计工作流程，利用支持 AI 的图像处理和设计自动化应对共同的挑战。 图1 亮点 Simpleware – nTopology工 作流程可以高效地将 3D 解剖的 DICOM 数据转换为高质量模型。nTopology 工具利用扫描数据和参考标志点为患者提供功能性和形状匹配的个性化解决方案。通过自动化加速手术导板制作过程可以节省时间、提高产量。 Simpleware中的图像分割 针对本项目中的膝关节 CT 数据，Simpleware 软件中有几种不同的分割选项。手动图像分割涉及对图像数据进行各种操作，包括裁剪、阈值分割和应用掩膜洪水填充去除不需要的部分后获得所需的解剖结构，在这里指的是胫骨。Split regions 工具还可以采用算法标记不同的区域以分割出不同的掩膜，分离出胫骨。此外，Close 和 Cavity fill 等工具可以进一步填充掩膜内部，平滑和创建高质量的三角形表面后导出至 nTopology。 图2：在Simpleware软件中使用Split regions工具进行膝关节分割 然而，这些手动步骤也可以使用一系列基础和更高级的脚本选项实现自动化。比如，在手动分割过程中录制宏，显示和运行所有的功能/操作。脚本可以用 Python 和 C# 编译，包括删除脚本中不需要或不可用的任何工作流步骤。通过重放脚本即可生成相同的输出。更进一步地，还能使用脚本创建一个插件添加到 Simpleware 中，可以设置允许宏在不同阶段运行，取决于仍然需要手动完成的操作（例如 split regions）。 基于AI的机器学习自动化 为了扩展自动化，基于 AI 的机器学习模块 Simpleware AS Ortho / CMF 可以在大约两分钟内完成分割，然后通过脚本执行任何其他的步骤。在该模块还可以选择为分割后的胫骨自动添加标志点作为测量点，用于设计手术导板。 在这个项目中，需要处理大约 50 个患者的胫骨模型。Simpleware AI 解决方案意味着可以快速地完成一个大型的工作流程，不必进行重复的手动分割操作。如果需要将所有的胫骨放在大致相同的位置，标志点则可以作为配准工具的参考点将所有的胫骨表面组合在一起。 图3：使用Simpleware AS Ortho / CMF进行胫骨自动分割 nTopology的设计过程 然后将 Simpleware 软件导出的数据作为 nTopology 软件的输入，用于创建可重复的设计过程。nTopology 可以使工作人员根据患者模型自动生成导板匹配面的共形几何，并根据 Simpleware 软件提供的标志点参数化切割孔和缝的位置。 另外，设计工作流程中包含可制造性的考虑以及结构支撑柱、平齐基底结构的添加。设计流程的输出是为增材制造准备的网格文件。 为胫骨手术导板设计这种完整端到端的工作流程意味着临床医生或技术人员可以轻松地按需更改，例如调整导板的设计、用包含一组特定标志点的患者扫描数据定制切割角度。在设计过程的编码中已经综合考虑了专业的可制造性，因此即使没有工程或设计经验的用户也可以无门槛地使用该工作流。 图4：nTopology软件中的最终手术导板 使用脚本自动生成设计 采用这种方法，有一个清晰的路径可以改进和自动化设计患者个性化器械的生成。一旦为单个切割导板创建并验证了设计过程，就可以使用简单的脚本和 n TopCL – n Topology 的命令行界面自动批量处理患者扫描数据的整个文件夹。 在这个概念验证中，研究团队创建了一个 Python 脚本处理 50 个胫骨，并自动为每一个数据生成独特的患者个性化导板。仅用数分钟编写的几行代码即可节省人工设计工作的时间。对于更复杂的项目，可以使用相同的方法把复杂的逻辑构建到工作流中，这样可以将多个来源的数据结合起来- […]

Read More

利用孔隙尺度结构研究宏观土壤特性：Simpleware基于图像的孔隙弹性结构建模

Posted · Add Comment

概述 重型机械造成的土壤压实会对土壤水力特性产生不利影响，并可能产生持续超过 15 年的影响。理解土壤力学性能的一个关键挑战是土壤本质上是多尺度的，其宏观孔隙弹性性能依赖于微观结构的精确细节。将这种微观尺度建模与宏观尺度联系起来是一个重要的挑战。 本项目采用均质化理论推导的由三个不同相组成的土壤孔隙弹性特性平均宏观模型，生成的方程通过一组在代表性几何上求解的单元问题进行参数化，可应用于大型结构变形的情况。同时还展示了如何利用结合 x 射线计算机断层扫描（X-CT）和基于图像建模的方法，比较不同初始条件下水分含量和压实对土壤宏观结构特性的影响。 亮点 推导由三个不同相组成的土壤孔隙弹性特性平均宏观模型在 Simpleware 软件中处理土壤图像并生成网格模型采用基于图像数据建模的方法研究不同初始条件下水分含量和压实对土壤宏观结构特性的影响为设计和优化土壤或其他多孔结构提供了新的见解 图像获取 土壤是在北威尔士某处地表收集的砂质饱和始成土，初筛至 5 mm 以下，在 23℃ 左右风干 2 天，然后再过筛至 0.6-1.18 mm。选取三种不同土壤条件的六个重复试样，共计 18 个样品。三种土壤分别是：高含水量的疏松土、高含水量的机械固结土和低含水量的机械固结土。采用瑞士同步辐射光源（SLS, Swiss Light Source）的 TOMCAT 光束线和 19 kV 单色光束条件对土壤进行扫描。 将扫描后的图像数据导入 Simpleware 软件，通过阈值工具分割出土壤中不同的相：固体矿物颗粒相、混合相（粘土颗粒和水）和充满空气的孔隙空间，应用分水岭算法分离粘连颗粒。 图1：不同土壤的原始CT图像和对应在Simpleware软件中的分割结果 平均模型 研究人员推导出土壤变形的平均孔隙弹性模型，可以从将 X-CT 获得的数据与土壤的宏观性质联系起来。步骤为：（1）对所涉及的相形成完整的微观描述；（2）推导没有明确考虑底层土壤几何形状每个细节的平均方程，参数通过具有代表性的土壤结构得出；（3）计算平均时考虑了微观和宏观尺度的压力和位移梯度。 图2：宏观尺度应变梯度引起的土体剪切变形示意图。箭头表示位移方向和相对大小，红色对应较大位移，蓝色对应较小位移。（a-c）为单个周期单元的位移；（d-f）四分之一结构的等效问题，即对称性降低；（a）和（d）是宏观位移；（b）和（e）是微观位移；（c）和（f）是总位移。 网格划分和模拟 在 Simpleware FE 模块直接对图像处理后的模型进行网格划分，采用的 FE-Free 算法可以最大限度地通过参数控制网格单元，同时最小化内存需求。为确保计算域包含足够大的体积代表土壤结构，考虑了一系列不同体积的网格。具体来说是边长为 100-400 的体素网格，对应为总边长为 0.16 mm 的最小网格和 0.64 mm […]

Read More

【宁夏大学白红存教授课题组】基于ReaxFF MD模拟探索化学链燃烧中芳香族片段解聚的反应机制及复杂反应网络（Journal of the Energy Institute 2023）

Posted · Add Comment

1. 计算模型和方法 图1. 芳烃分子在铁基载氧体表面的化学链燃烧反应模型 文中选取化学链技术中最常见的Fe2O3载氧体。构建α-Fe2O3(001)低指数晶面。以Fe-O3-Fe…为反应表面的稳定结构扩胞得到初步铁基载氧体颗粒模型。然后将多环芳烃放到Fe2O3载氧体表面，然后再进行5×5超胞。ReaxFF MD模拟的周期性盒子设定为100 Å×100 Å×50 Å。如图所示，Fe2O3载氧体总共8层16000个原子，其中氧原子9600个，Fe原子6400个。载氧体上面共有25个多环芳烃。多环芳烃选择了固体燃料中具有代表性的4种多环芳烃，这些多环芳烃在许多煤分子结构是常见的。 主要对CLC过程反应器内Fe2O3和多环芳烃体系反应过程ReaxFF MD模拟。计算采用郑等开发的包含C/H/O/Fe等元素的ReaxFF力场参数，以及NVT正则系综分子动力学（NVT-MD）方法进行计算。计算中，步长为0.25 fs，温度由阻尼常数为0.1 ps的Berendsen恒温器控制。模拟反应温度分别为2000、2500、3000、3500、4000 K，探究不同温度Fe2O3载氧体和多环芳烃反应特性。反应前计算模型在450 K进行了40000步非反应（Non-reaction）弛豫过程，使其处于平衡状态。ReaxFF MD模拟过程累积1000000步，总时长250 ps。 图2. 多环芳烃的模型 2. 结果讨论 图3 . 多环芳烃S1反应的过程 图3是多环芳烃在Fe2O3载氧体表面反应的可视化过程。根据截取的0、25 、 75 、125、175、250ps时CLC体系实时图片，燃烧过程可分为四个阶段。通过上述化学链燃烧不同阶段的反应物和产物分析发现，这些多环芳烃分子和铁基载氧体化学链燃烧过程可分为四个阶段。第一个阶段属于反应前阶段，主要发生载氧体颗粒和燃料分子的结构弛豫和扩散。该过程使得体系中载氧体颗粒和燃料分子中化学键呈现键合-解离-键合的动态平衡特征。这将有助于它们在后续过程中参与反应。第二阶段属于初始反应阶段。此阶段多环芳烃自身开始逐步发生热裂解反应，生成自由基和含碳碎片。同时，部分燃料分子或反应碎片与载氧体表面的晶格氧距离靠近，形成有效相互作用，进而形成化学键连。载氧体开始发生反应逐步释氧 。第三阶段属于剧烈燃烧反应阶段。此时多环芳烃在高温环境中大量裂解成分子碎片。载氧体大量释氧同步发生。整个化学链体系呈现剧烈燃烧反应的特征。第四阶段属于最终燃烧阶段。此时大部分多环芳烃已裂解成碎片。主要发生的反应为大量含碳碎片中间体物种的氧化燃烧。该过程生成大量典型燃烧最终产物，如CO，CO2，H2O等。 图4.  基于多环芳烃S1反应中C…C相互作用的RDF分析 为了系统了解不同芳烃燃料分子在化学链燃烧过程中分子结构变化，对燃料分子S1在CLC过程中不同反应时间体系的C…C相互作用距离进行了径向分布函数(RDF)分析。RDF在约1.4 Å 处的峰可反映体系中C-C键的数量变化，并表征芳烃燃料分子的热分解反应动力学。 在50 ps时1.4 Å处峰的强度仍2500。这表明此时燃料分子中C-C数量不变，燃料分子尚未解离。在75/ 100/ 125/ 150/ 175 ps时，RDF中1.4 Å处峰的强度分别为2000，1700，300，120和40。这表明反应过程中燃料分子中C-C数量减少，燃料分子逐步解离发生燃烧反应。通过RDF和 C-C键数量变化分析，可以很好地反映上述化学链燃烧反应的四个阶段。 图5. 基于多环芳烃反应中反应物分子数量变化（图A是S1反应中分子数量变化图；B是S2反应中分子数量变化图；C是S3反应中分子数量变化图；D是S4反应中分子数量变化） 研究发现，CLC反应温度对燃料分子参与化学链燃烧反应影响显著。燃料分子随CLC温度升高呈现参与反应提前现象。从燃料分子反应数量可发现，随着CLC温度升高，芳烃分子参与反应越早。例如，S1分子在3500 K时，在50 ps开始反应分解，而2000/2500/3000  K时则分别为62.5，62.5，50 ps。因此，S1分子在3500 K的反应分别比2000/2500/3000 K提前了12.5，12.5，0 ps。同时还发现，CLC温度对于燃料分子分解时间具有影响。分析燃料分子反应数量可发现，随着CLC温度升高，芳烃分子全部参与CLC反应耗时减少。例如，S1分子在3500 K时，在50 ps开始反应分解， 137 ps体系无S1分子。S1分子全部参与反应并分解总耗时87 […]

Read More

单轴压缩作用下量化2D和3D裂缝对井筒水泥渗透率的影响

Posted · Add Comment

概述 作为天然气的主要成分，甲烷是导致全球变暖的主要因素之一。井筒水泥中的应力诱导裂缝会形成甲烷或二氧化碳泄漏的高风险通道，油气井的逃逸排放进而造成甲烷释放失控。因此，了解和减少泄漏途径对于最大限度地降低泄漏井对环境的影响至关重要。 本项目研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）和显微计算机断层扫描（micro-CT）技术量化峰值压应力前后熟化高温触变水泥试样裂缝的 2D 和 3D 几何参数，提出一种量化应力诱导真实三维裂缝对水泥渗透率影响的模拟方法。 亮点 使用 SEM 图像量化 2D 水泥裂纹将水泥 micro-CT 图像导入 Simpleware 软件量化 3D 裂纹含纤维水泥可限制裂纹的大小和扩展2D 和 3D 裂缝分析方法为定量表征块体水泥中应力诱导裂缝的潜在过程提供了重要见解 单轴压缩试验 用 G 级水泥、40% 硅粉（按水泥重量计）、添加剂混合制备试样，水灰比为 0.48。固化后加工得到长 100mm，直径 50mm 的圆柱体。为研究纤维对改善水泥性能的影响，在相同的条件下还制备了两个含纤维的试样，按共混物的重量加入 0.25% 的纤维。然后采用 GCTS RTX-1000 测试系统进行单轴压缩测试，测量轴向和径向的应变。 图1：单轴压缩试验获得7个试样的应力应变曲线，其中试样A为对照；B和C为峰值前样品；D和E为峰值后样品；F1和F2为含纤维试样，分别被压缩到与D和E相同的应变水平。 与峰值后样品相比，含纤维试样在高应变时应力下降较慢且不明显。这表明含纤维试样比未改性的峰后样品具有更好的延展性，在相同应变条件下断裂会更少。 SEM技术表征2D裂纹 在阿尔伯塔大学实验室准备好试样薄片，使用蔡司 Sigma 系列场发射扫描电镜获得 2D 图像。为确保试样表征的精确性、一致性和测量结果的真实性，收集每个薄片在 6 种不同放大倍数和 8 个不同位置下的 SEM 图像。 图2：（a）水泥薄片（b）扫描区域（蓝色）（c）不同放大倍数下SEM图像的尺度（d） 625倍率时的SEM图像（e）对2D裂缝进行标记和编号 对于每个选定的位置，扫描电镜的放大倍率依次逐渐增大。由于没有明确的标准技术用来区分孔隙和裂缝，因此在对裂缝的测量中也包括了孔隙。特别是当它们尺寸相近时，例如裂缝状孔隙和收缩裂缝。使用 ImageJ 软件手动画线，然后根据放大倍数计算裂缝长度。 Micro-CT扫描技术表征3D裂纹 […]

Read More

基于CT图像自动检测涡轮叶片的缺陷

Posted · Add Comment

喷气发动机的涡轮叶片需要在一些最极端的条件下运行，工作温度可能要超过其所采用合金的熔点。因此，复杂的冷却系统结构、涂层和其他特性需要使叶片保持在工作温度范围内，不容失败。然而，制造的零件中可能包含有细微嵌入和隐藏的缺陷，通过 CT 检测等方法可以检查这些零件的内部。 CT 检测是一种无损的工业 X 射线成像技术，在进行 360 度旋转零件的同时以特定间隔拍摄数百或上千张单独的二维射线照片。然后将这组 2D 图像重建为 3D CT 容积，可在任意角度进行数字化切片，用户无需物理切割或打开产品即可查验产品外部和内部特征。 该工作流程面临的一个挑战是，解决零件内部缺陷和尺寸的能力取决于整体图像质量，而图像质量可能与检测周期时间直接相关。对于涡轮叶片这样高密度和复杂的零件，通常需要大量的扫描和技术人员的解读时间，给高通量应用造成了潜在瓶颈。 Synopsys 公司 Simpleware 软件的定制化模块（Custom Modeler）使用支持人工智能的机器学习方法对特定案例进行分析，为解决人工处理图像中的瓶颈问题提供了解决方案。该方法消除了工作流程中耗时的手动分割时间，并通过预先确定缺陷位置来减少检查时间。因此，进一步扩大检测规模仅取决于检测所用硬件的功率。与 Avonix Imaging 公司合作开发的检测高压涡轮叶片中低频关键缺陷的项目中，目标是创建一个找出可能存在缺陷区域的全自动检测助手，加快关键检测工作流程。 图1：Simpleware软件中的自动关键缺陷检测工具 获取输入数据 近年来，X 射线 CT 技术有了很大的创新。Pixel Push、螺旋 CT、偏置 CT等扫描方式的扩展，甚至包括散热旋转靶和 450kV 微焦点 X 射线源等硬件的改进，推动了 CT 扫描在许多行业的应用发展。通常情况下，CT 可以提供给用户无法由任何其他方式获得的视图。 决定采用哪种 CT 方法和技术是最优的策略在很大程度上取决于每个公司的具体需求和他们的项目目标。CT 技术人员需要考虑产品的材料、密度、尺寸、形状、特征，以及缺陷尺寸要求、预期扫描时间及所需输出格式，所有这些细节都可能会对最佳 CT 扫描技术产生影响。 图2：X射线扫描过程图解：（a）高分辨率LDA扫描（b）高速DDA扫描切片 了解目标和产品细节后，就可以开发扫描技术。工业 CT 最常用的硬件参数是 X 射线能量（225kV 或 450kV）、焦斑尺寸（mini-focus 或 micro-focus）和探测器类型（LDA 或 DDA）。然后设置零件夹具、几何放大倍率和机械手定位（射线源到零件，射线源到探测器等）。最后，在运行 CT 扫描前对采集方式、投影数量等进行细微调整。 针对本项目，由于涡轮叶片密度较大，因此选用 450kV 微焦点，并对 LDA 和 DDA 探测器都进行了测试。为设计理想的参考扫描，Avonix Imaging 公司在同一组涡轮叶片样品上进行了大量的高质量 LDA 扫描和高速 DDA 扫描。样品扫描时间从几分钟到几个小时不等，也说明了理解项目目标并找到尽可能有效满足这些目标所依赖技术的重要性。 运行自动化工作流程 优化 CT 扫描流程提高效率后的下一步就是开发自动检测工作流。 图3：使用Simpleware定制化模块实现自动化检测工作流 在实践中，自动化工作流涉及到： 从生产线获得零件以预定方向进入 CT 扫描仪进行检测速度扫描将 CT 扫描数据导入 Simpleware 软件，在 Simpleware 定制化模块执行人工智能工作流：根据专家用户的训练数据从 CT 扫描图像中自动分割出感兴趣区域将“理想”的设计参考模型与基于扫描的分割模型进行自动配准和表面偏差分析通过检测工具将两个模型间的偏差区域列表展示，其灵敏度可以根据检测的缺陷进行调整对列表中的“潜在缺陷”进行检查 这种定制的自动化工作流程旨在为大批量制造提供快速的缺陷检测方案，大大减少耗时的人工分割工作量。 未来影响 […]

Read More

混凝土细观结构的建模：基于图像 vs 参数化

Posted · Add Comment

概述 混凝土的宏观裂缝是通过微裂纹的产生、扩展和融合而形成的。混凝土构件失效的可靠预测需要深入了解混凝土非均质组分的局部裂纹演化过程。与宏观尺度的同质性相比，细观尺度的混凝土由非均质相组成，包含粗骨料、作为基体的砂浆（混合砂子和细骨料的水泥浆）、包裹的气孔。 细观混凝土中的骨料分布可以由数字图像提供真实的尺寸和位置，也可以通过将给定形状的骨料按规定尺寸进行随机空间分布获得。本项目采用这两种方法建模，对微观结构表征和力学行为数据进行验证和比较，从而确定它们的适用范围。 亮点 比较基于图像重建和参数化建模两种构建混凝土细观结构的方法采用 Simpleware 软件进行图像处理和生成有限元网格模型在 ABAQUS 软件中进行压缩和拉伸的模拟预测变形行为和损伤，结合实验数据确定不同建模方法的适用范围 基于图像重建 vs 参数化建模 基于图像重建 优点：可获得骨料和孔隙真实精确的尺寸及分布缺点：XCT 设备价格高，成像区域内骨料的大小和空间分布可能在统计上不具有代表性。 参数化建模 优点：能够涵盖更大的工程构件体积，可设计骨料的尺寸、分布及体积密度缺点：随机生成的骨料在位置和形状上与测试样本中天然的骨料不同 图像获取 采用 CEM I 42.5 普通硅酸盐水泥（OPC）和粗石灰石（直径为6.3 ~ 10 mm）设计 C30 级混凝土试件，分别配制骨料体积分数为 20%、30%、40% 三种混凝土试件。在曼彻斯特大学 Henry Moseley x 射线成像中心，使用定制的 Nikon XTH 225 对每种混凝土的圆柱体试样进行 x 射线计算机断层扫描（XCT）。 图像处理和网格划分 对 XCT 图像数据进行处理，减少光束硬化，创建为 3D 模型并分割出骨料，获得基于图像的细观尺度混凝土模型。另一种为随机骨料的参数化建模，骨料的形状和位置并不对应于特定的真实结构。通过以下方式（1）“输入”：记录颗粒的大小和形状分布参数，（2）“拿取”：生成规定分布范围内随机大小的单个颗粒，（3）“放置”：如果生成的颗粒满足与已有颗粒、体积边界的重叠和相交条件，则可放置在域体积的随机位置。在计算生成颗粒的体积分数满足指定值后，生成过程终止。 图1：由 XCT 图像分割出的骨料模型 在 Simpleware FE 中分别对基于 XCT 图像重建和参数化建模得到的模型进行网格划分，生成由四面体单元组成的高质量有限元网格模型。 模拟结果 将网格模型导入 ABAQUS 软件，采用混凝土损伤塑性模型（CDP）描述砂浆在不同荷载作用下的塑性损伤行为。混凝土（或砂浆）的非弹性行为是各向同性拉伸和压缩塑性以及各向同性损伤的组合。当施加载荷时，由于损伤累积，永久塑性变形与刚度退化同时发生。达到峰值应力后，可观察到软化响应。 图2：(a)-(c)含骨料20%混凝土基于图像模型的三种不同网格粗糙度 (d)-(e)模拟压缩和拉伸时的应力应变曲线 对基于图像的不同粗糙度网格模型进行对比分析发现，网格尺寸对混凝土压缩和拉伸情况下的影响不显著。粗糙网格有 393157 个节点和 2284750 […]

Read More

利用多孔介质和数字岩石研究孔隙尺度流动模拟的参考和基准

Posted · Add Comment

概述 数字岩石物理（DRP）是一种快速发展的多学科工具，可用于计算岩石性质（如孔隙率、渗透率、地层因子、I-Sw 曲线、毛细管压力曲线和相对渗透率），并采用高分辨率图像（如 x 射线计算机断层扫描、扫描电子显微镜）表征微观结构。 在某些情况下，DRP 可以起到补充作用，取代实验室中相对缓慢且昂贵的测量和根据经验趋势获得模型的需求。此外，将岩心柱上的 DRP 工作流程与同一柱体上的物理测量相结合，可以在更大长度范围内实现更可靠、更详尽的地层评估和表征。本研究对包含理想化和异质化的不同微观结构进行图像处理，利用多种不同数值模拟方式计算渗透率并对结果进行比较。 图1：典型的 DRP 工作流程 亮点 采用 36 个包含理想化和异质化的微观结构使用 12 种不同的数值模拟方式计算渗透率对于比较各种数值模拟的速度和精度具有重要参考意义 理想化微观结构和数字岩石 在这项研究中，使用 36 个微观组织生成绝对（单相）不可压缩渗透率的数值参考，其中包含一组具有不同横截面形状、直径（固定值及其正弦变化）的管道结构，5个 2D 岩石结构，1 个球体填充结构和 5 个由 micro-CT 扫描获得的数字化 3D 岩石结构。这些结构的孔隙空间复杂程度不等，除球体填充 Sp.pa. 外，其余结构均为 10243 体素。选择这些样本是因为它们涵盖了可能遇到的组合和纹理的范围。 表1：微观结构名称、孔隙率、图像和体素大小 2D 管道：12 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面管道，截面形状分别为不同尺寸的圆、正方形、三角形、六角形；2D 正弦管道：12 个由以上形状沿流动方向呈正弦变化的三维结构； 图2：4 种不同的截面形状 图3：横截面为圆形及其沿流动方向正弦变化的三维结构图示 2D 混合：1 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面，截面为 4 个直径不同的圆形； 图4 2D 岩石：5 个由二维岩石结构沿流动方向延伸得到的三维结构； 图5 球体填充：1 个在 x、y、z 方向上都是一组相同球体的三维结构；3D 岩石：5 个硅质碎屑岩的三维数字岩石，分别来自 Berea（Rock 1 和 Rock […]

Read More

通过 CT 扫描和仿真优化点阵结构的支架

Posted · Add Comment

高价值应用中的零部件通常需要优化以实现减轻重量、降低成本和提高性能。在这个过程中，部件的虚拟检测和建模对于初期理解设计问题是非常重要的，还可能因此在之后起到节约成本的作用。 近期我们与北极星成像（NSI）和 ANSYS 合作开发了一种简化从三维计算机断层扫描（CT）数据到机械模拟复杂过程的解决方案。使用 Simpleware 工业 CT 软件连接图像数据和仿真，分析增材制造（AM）零部件与原始设计间的差异。 关键问题在于这两个零部件是否存在任何设计差异，以及其如何影响实际性能。 获取零件结构 工作流程起始于匹兹堡大学 Albert To 教授团队的一个项目，利用 ANSYS 重新设计了带有轻量化点阵的支架结构。通过 EOS 直接金属激光烧结（DMLS）打印机制造钛铝合金模型，然后在 NSI 的实验室进行 CT 扫描，2 小时内可获得高质量的模型图像数据。 图1：匹兹堡大学通过增材制造生产的钛合金支架，CT 图像数据堆栈由 NSI 扫描获得 Simpleware 中的 CT 图像处理 将 CT 数据导入 Simpleware 软件进行图像处理和生成高质量模型，利用软件重现“制造件”的结构。在 Simpleware 中生成的体积网格可直接用于仿真，减少了在有限元（FE）求解器中重新对分割图像数据进行网格划分的耗时工作流程。 图2：在Simpleware软件中生成的高质量网格 比较 CAD 设计和基于 CT 的模型 在 Simpleware CAD 中比较扫描的“制造件”与原始理想化的 CAD 设计之间的偏差。使用标注、自动配准和偏差分析工具检测零部件之间的细微差异，包括增材制造过程中可能引入的缺陷。 图3：在 Simpleware 中使用颜色映射展示原始 CAD 结构和基于图像 STL 间的偏差分析 检测和仿真 将 Simpleware 软件生成的体积网格直接导入 […]

Read More
 
  • 基于 µCT 建模研究亚麻纤维的形态和力学性能概述 在当前可持续资源需求持续增长的背景下，植物纤维作为玻璃纤维等合成纤维的替代材料，近年来在市场上的能见度与占有率逐渐提升。在各类植物纤维中，亚麻纤维相较于玻璃纤维因其已通过生命周期评估证实的环境优势而备受关注。但在结构产品中的大规模应用仍受到多重因素的制约，植物纤维的自然特性在不同层面上引入了变异性，给更好地理解结构-力学性能关系带来了巨大挑战。 本研究基于 µCT 扫描图像数据创建亚麻纤维的微观结构模型，采用有限元方法模拟复杂纤维形态引起的局部应力和应变分布，探索形态特征对力学性能的影响。 图像处理和模拟 遵循标准 NF t 25-501 [...]
  • 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 [...]

  • 标签

    3D打印 ABAQUS ADF AMS ATK Workshop BAND COSMO-RS DES DFT EDA EDA-NOCV NanoLab NMR NOCV OLED QATK Highlight QuantumATK reaxff Simpleware SOC SOCME TADF TDDFT ZORA 二维材料 催化 分子动力学 半导体 反应分子动力学 太阳能电池 密度泛函 工业 微电子 数字岩石 深共晶溶剂 溶解度 热解 燃烧 电声耦合 能量分解 自旋轨道耦合 迁移率 钙钛矿 镧系元素 骨科

  • 关于费米科技

    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨，致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术，为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点，已经服务于众多的学术和工业用户。

    欢迎加入我们！（点击链接）

  • 最近更新

  • 联系方式

    • 留言板：点击留言
    • 邮箱：sales_at_fermitech.com.cn
    • 电话：010-80393990
    • QQ： 1732167264

  • 订阅费米科技新闻

    • 邮件订阅：
      您可以使用常用的邮件地址接收费米科技定期发送的产品更新和新闻。
      点击这里马上订阅！
    • 微信订阅：
      微信扫描右侧二维码。
    •