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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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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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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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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逆向工程在汽车零部件设计中的应用【Simpleware应用】

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概述 考虑到所用材料的复杂性和处理图像数据时对精度的需求，对汽车零部件进行逆向工程和分析是一个很大的挑战。 在本项目中，研究人员利用Simpleware ScanIP克服上述困难，将气缸盖的CT数据转换为适合检测缺陷和可导出为模拟准备的网格化高质量三维模型 为进行热模拟分析和考虑到铸造铝件时空洞的影响，因此将重点放在气门座的分割上。 亮点 从CT扫描获得3D图像数据在Simpleware ScanIP中进行可视化和初始分割使用形态学开滤波器和3D编辑工具改善气门座的分割在Simpleware FE中对处理后的图像数据进行网格划分将为模拟准备好的网格导出至LS-DYNA®进行热结构分析 可视化和图像分割 利用工业CT扫描设备以0.4mm×0.4mm×0.5mm的分辨率获取气缸盖的成像数据，并导入Simpleware ScanIP中。利用体积渲染、不透明度设置和颜色映射工具根据其底层灰度值进行可视化和重建数据，故此能够检测到铸件中微小缺陷/空洞。下一步的分割要将气门座与气缸分开。 气门座的3D编辑 在Simpleware ScanIP中，使用多种图像处理工具的组合将气门座从气缸盖中分割出来。初始阈值可以快速为各组件创建独立的掩模，在选中的感兴趣区域（ROI）使用形态学滤波器处理模型。利用Simpleware的3D编辑工具，在气门座周围创建一个3D ROI，用形态学开放滤波器去除小范围的噪声。这些工具使气缸盖中气门座的多部位分割更加准确和清晰。 图：使用Simpleware的3D编辑工具去除气门座周围的小范围噪声 结果 采用Simpleware FE对分割后的图像数据进行网格划分，并导入LS-DYNA®初步分析气缸盖中有无空洞对图像的影响。在考虑进气温度和排气温度的情况下， 比较有无空洞时空洞周围的主应力。该方法有助于深入了解零件在不同制造条件下的潜在性能，为缺陷分析奠定了未来研究的基础。 图：在LS-DYNA中分析气缸盖中有无空洞所造成的影响 参考 致谢与其他信息请参考英文原文。

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孔径对颗粒基催化剂流动的影响

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概述 硅铝颗粒基催化剂中孔隙结构对大尺度（约104 m）流体流动的影响对于了解其性能具有非常重要的意义。本项目采用多尺度层析成像（MT）方法获取催化剂颗粒从纳米到毫米尺度的图像。所用试样均在不同温度下烧结/煅烧。 将图像导入 Simpleware 软件中进行分析和分割，对纳米/微米结构中每种长度尺度划分网格。为研究不同孔径对流动的影响，在 ANSYS Fluent 中进行渗透率计算，使人们对催化剂的输运性质有新的认知。 亮点 由 XMT、DBFIB / FIBSEM 和 ET 获得不同长度尺度的三维数据将数据分割成二值化数据集使用 Simpleware FE 为每种长度尺度的复杂纳米/微米结构生成 CFD 网格在 ANSYS Fluent 中计算渗透率模拟与实验测试相结合，确定孔隙率对流动的影响 图像采集 将两种颗粒基催化剂挤压成三叶状颗粒，在不同温度下煅烧生成2个样品并扫描。采用同步辐射X射线三维成像（XMT）、双束聚焦离子层析成像术（DBFIB）和电子断层三维重构（ET）获得不同长度尺度的三维图像。 在3D层析成像重建后对数据进行处理，减少噪音和分割块体材料与空洞，从而得到一个二值化的数据集。对颗粒样品也进行了实验测量以确定渗透率。 图：不同层析技术下其典型体素长度尺度的表征 图像处理&网格化 为模拟流经催化剂颗粒的渗透率，使用 MATLAB® 镜像层析体积，结合 Simpleware ScanIP 和 Simpleware FE 将每种长度尺度的纳米/微米结构转换为体积网格。利用填充工具选择感兴趣区域，流体边界界面处的网格划分要比块体精细，并在网格的上下游方向添加缓冲区以便导出至 ANSYS Fluent 为渗透率的 CFD 分析做好准备。将较精细长度尺度的模拟结果输入到下一个长度尺度的结构中，直至模拟考虑了催化剂中的所有相关尺度。 图：Simpleware FE中S2催化剂颗粒（红色孔隙）微观结构的多部分网格划分 模拟&结果 分析证实：与在较高温度下烧结的催化剂相比，经过较低温度烧结的催化剂颗粒是如何产生更大、更开放且具有更好连通性的孔隙结构。 存在更开放的孔隙结构使得活性位点间的渗透性和流动性更好，从而增强催化剂性能。因此，通过 MT 获得不同长度尺度孔隙结构的流体流动研究为未来催化剂性能的定制化和改进其他能源材料的广泛应用提供了基础。 图：跨长度尺度的孔隙率示例：将体积A的渗透率（K）融入体积B的主体

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模拟孔隙尺度的化学输运

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概述 基于图像的建模可用于分析通过多孔介质的传质现象，特别适用于储层岩石孔隙-喉道网络。这些分析的目的是为提高我们对流体通过可变孔隙尺度运动方式的理解和表征。 本项目使用真实结构的 micro-CT 图像数据，在 Simpleware 软件中进行可视化和处理，生成网格化的3D模型，然后将其导出至 COMSOL Multiphysics®中研究化学输运机制。 亮点 从开源库中获取真实岩石结构的 micro-CT 数据在 Simpleware ScanIP 中进行图像处理和分割在 Simpleware FE 中为孔隙结构生成高质量的多相网格在 COMSOL Multiphysics 中进行孔隙尺度化学输运模拟 图像处理 使用帝国理工学院孔隙尺度模型（PERM）联盟提供的开源岩石 CT 图像库中的 micro-CT 数据，获得孔隙空间和微观结构的 RAW 图像文件。在 Simpleware ScanIP 中将图像数据转换为基于 3D 体素的几何结构，为网格划分做准备。由于 CT 扫描通常会产生噪音，此步骤的处理极其复杂。为了渲染构造良好的岩石和孔隙相，在 ScanIP 软件中使用了一系列的视觉滤波器和图像处理技术。 图：Simpleware ScanIP中micro-CT数据的可视化和分割 利用 Simpleware FE 模块为多相流模型生成非常稳健的 CFD 网格，并直接导出至 COMSOL Multiphysics。 图：使用Simpleware FE模块生成网格化的多孔结构模型 然后将网格化的多孔介质模型导入商用偏微分方程（PDE）求解器 COMSOL Multiphysics® 中求解 […]

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数字岩石：多孔介质中的多相流模型

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概述 数字岩石技术是基于孔隙尺度多相流的高端模拟，是分析评价枯竭井和生产井过程中的关键组成部分。数字岩石技术有助于优化原油产量，利用水、天然气、蒸汽、化学品或二氧化碳提高石油采收率。数字岩石密集的模拟关键成果包括相对渗透率、饱和度和润湿性。 开展这种高端模拟面临两方面的挑战：（1）清晰的多孔介质数字化；（2）在曲折的微尺度（10-40微米）岩石图案中求解多相流方程，考虑在非常低的毛细数流动条件（Ca~0.001-0.0001）下的润湿性。 亮点 数字岩石方法能够同时优化一次采油量和提高石油采收率（EOR） Simpleware软件能够从岩石样品的二维图像生成可用于模拟的网格模型 Pöyry公司的TransAT ©CFD软件可研究孔隙尺度的多相流动 砂岩样品的概念验证工作流程展示了该方法的高效 本次互补技术的协作为表征多孔介质开辟了新的可能性 概念验证工作流程 Simpleware软件基于数百万像素岩石样品数字化的独特网格划分技术与Pöyry公司的TransAT CFD相结合，成为专门针对毛细力驱动多流体流动的强大CFD工具。 此案例是关于石油经过Berea砂岩的流动研究。这个例子是作为前期的概念验证，带着这些想法，之后的工作内容和协作是为多相岩石的分割研究更多样的地质样本。该项目的工作流程如下： Simpleware网格划分工具为描述孔隙提供质量非常高的STL文件 然后将STL文件上传至TransAT 用户界面读取 Simpleware软件中的图像处理和STL文件导出 这个过程涉及将2D图像堆叠导入Simpleware ScanIP，之后使用中值滤波器去除图像噪声。利用软件的图像处理工具将数据裁剪成子样本，使用阈值工具选择孔隙，去除岛状物然后创建一个单一的连通区域，导出一个孔隙分割后严密的STL文件。 TransAT中的多相流模拟 利用IST网格技术，TransAT基于Simpleware的STL文件重构了CFD网格。在Pöyry HPC集群下运行TransAT多相混合模型的流动条件是： Berea砂岩，孔隙尺度~10微米 油气两相渗流，毛细数 = 0.001 网格大小 30 μm 网格 1283 入口流速 = 1 m/s 密度 = 1000 kg/m3 粘度 = 1 cP 使用Simpleware网格的TransAT模拟结果在下图中呈现，描述了沿岩石扫描方向压力场和油气前缘传播。这些结果与Simpleware软件的分析结果一致，即通过Simpleware FE模块进行网格划分，并由Simpleware FLOW模块计算绝对渗透率张量。 图：利用TransAT CFD得到在岩石孔隙中的油气前缘传播 结论 Simpleware软件和Pöyry AMS的联合工作流程展示了一种快速、准确的多孔介质建模和多相模拟方法的优点。值得注意的是此处讨论的Berea砂岩这一特殊案例，展示了深入了解油流的组合解决方案。鉴于这些工作流在石油生产和采油方面的巨大价值，这种高效的方法使得模拟孔隙尺度的多相流方法更易于在工业中应用。 更多信息 英文原文、致谢等信息请参考：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/fluid-flow.html  

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利用CT数据对增材制造零部件进行无损检测

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概述 金属增材制造（AM）工艺在生产拓扑结构复杂的设计方面具有许多传统方法难以实现的优点。然而，由于无法直接接触的结构特性，对同一组件进行无损检测和测试通常具有挑战性，导致出现漏检缺陷和需要增加性能检测的情况。因此，零部件可能会报废，造成时间、资源和成本的浪费。这就意味着增材制造零件的实际性能可能与其原始CAD设计有差异。本项目采用基于计算机断层扫描（CT）数据的无损检测流程分析“热箱”换热器——作为复杂增材制造零件的代表性举例。 亮点 Synopsys、Nikon、Uni Huddersfield、MTC和HiETA联合开展的工业用途研究（三合一项目） 基于图像的方法可以对AM零件进行无损检测 在COMSOL Multiphysics中的仿真使我们能够深入了解“设计”和“生产”零件 工作流程保证了成本和资源效益 扫描增材制造零件 本研究中使用的“热箱”是一种测试治具，在构建定制化的换热器之前用于确定此种结构的性能。该结构件具有空气可流通的晶格结构，以及为液体冷却剂设计的交叉波纹通道，对于传统制造方法来说是比较复杂的设计。另外，不切割开零件是无法对“热箱”内部进行实物检查的。 为了解决这个问题，HiETA Technologies公司首先使用AlSi10Mg通过AM生产“热箱”，然后在制造技术中心（MTC）进行CT扫描。图像重建使得零件内部缺陷的可视化和量化成为可能，并建立了基于图像的下一阶段工作流程。 3D图像处理 将零件的三维图像数据导入Simpleware ScanIP进行图像处理和网格划分。软件中的自动分割工具可确定表面，而局部面校正滤波则用于抵消射束硬化效应。为了解零件“生产”与“设计”版本之间的差异，采用Simpleware软件的表面偏差工具比较CAD表面与AM表面。 该方法识别出3个偏差区域，包括被困粉末和设计晶格结构的差异。在对图像数据处理之后，使用Simpleware软件导出完整的体积网格用于CFD分析。生成的网格包括三部分：金属、流体和空气，指定的边界也添加到流体流动区域的模型入口和出口。 热模拟 将网格导入COMSOL Multiphysics®中进行热行为模拟和对比，包括耦合传热和层流。冷却剂流经通道的温度分布如图3所示，“生产”件结构中偏差在换热器底座最为明显。此外，从入口到出口区域的整体冷却在“生产”件结构中更大，而在垂直轴上没那么均匀。因此，依据几何差异的结果，该研究能够确定使用AM工艺的“生产”件性能比原始的“设计”件要差。 总结 这个工业应用的案例展示了使用X射线CT和基于图像的建模的重要性，特别是在增强对CAD设计和实际制造零件之间到底发生了什么差异的理解方面非常有价值。采用这个工作流程，制造商可以从本次仿真数据中洞察意外缺陷和不一致性如何影响实际性能，从而实现设计闭环，并可能会节省昂贵的重新测试成本。   参考 有关本案例的原文、致谢和更多链接请访问：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/inspection-am-parts.html 三合一X射线CT检测，英国研究与创新署 Turner, N., Brierley, N. and Townsend, A., 2019, 三合一X射线计算机断层扫描。2019年2月13日至15日在意大利帕多瓦举行的第九届工业CT会议。  

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