脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究

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概述 当材料在任意荷载作用下出现应力引起的新裂纹时,材料的应力状态会发生显著变化,应力的重分布将导致脆性岩石材料中原有裂纹发生扩展、钝化或改向,对材料的强度产生影响。由于循环加载和疲劳效应,在较小荷载作用下脆性材料就可能发生破坏,这种破坏属于材料的“疲劳”破坏。地铁隧道边墙、大坝、巷道顶板、桥梁和路基等在循环/重复荷载作用下均可能发生劣化。 损伤力学研究一般关注水平和竖直变形/应变,而这些变形是微/纳裂纹形成和扩展的结果。本研究结合试验与扫描电子显微镜(SEM)、计算机层析成像(CT)技术对断裂过程区(FPZ)进行观察和分析,探索断裂韧度(KIC)与循环载荷的关系。 试验和模拟 按照 ISRM 标准开展巴西圆盘试验和断裂韧度试验,在静力和重复加载测试下均重复 5 次。用于巴西圆盘试验的岩石试样为凝灰岩。岩石试样的单轴抗压强度(UCS)为 123 MPa,巴西圆盘试样直径为 51 mm。V 型切槽巴西圆盘(CCNBD)试样中存在切槽裂纹,适用于各种断裂型加载。 图1:CCNBD 试样及其几何参数 开展采用径向间接拉伸应力的重复加载试验,正弦加载试验中荷载频率为 1 Hz。正弦循环加载试验从约 2/3 材料抗拉强度的高应力水平开始,然后将施加荷载降低约 10% 直到试样在较低应力水平下不再断裂,此时的应力水平称为试样的疲劳极限。 数值模拟中的非均质性采用扩展有限元法(XFEM)和 Simpleware 软件实现。将 CT 图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理,量化测试样本中 FPZ 的微断裂体积/面积,生成高质量的网格模型用于 ABAQUS 软件中的数值模拟。 结果与讨论 在线弹性断裂力学(LEFM)理论中,裂纹尖端应力情况可由3 种常见的断裂状态表征,对应为 I 型(拉伸应力)、II 型(剪切应力)和III 型(撕裂应力)裂纹扩展模式。材料的断裂模式属于上述哪种取决于裂纹几何形态及表面位移。I 型断裂条件下,由裂纹尖端开始,裂纹表面预计产生一个开口;II 型断裂条件下,裂纹面产生面内滑移;III 型断裂条件下,由于裂纹面外剪切作用,裂纹面垂直于裂纹轴线移动。 拉伸强度和断裂韧度 取 5 个试样测试结果的平均值,得到静态巴西拉伸强度为 11 MPa,静态 I 型(拉伸)断裂韧度为 1.48 MPa·m1/2。巴西圆盘试样和 CCNBD […]

利用微观结构模型评估受电弓滑板的材料性能

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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 […]

基于 Nano-CT 和有限元方法的沥青混合料剪应力计算分析

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概述 沥青混合料是由集料、沥青胶浆及空隙三种成分组成的非均质混合物,在荷载作用下,混合料内部的应力分布呈现非均匀性。采用连续介质力学方法研究具有非连续性特征的道路材料,难以真实地模拟其受力、变形及破坏过程。沥青路面在水平荷载与竖向荷载的综合作用下产生较大的剪应力,当混合料抗剪强度不足时,极易产生车辙、推移、拥包等剪切破坏。 本项目采用 Nano-CT 扫描设备获得制备芯样的图像数据,导入 Simpleware 软件创建与混合料内部实际空间分布一致的三维数值模型。利用有限元方法计算剪应力并分析温度的影响,通过宏观抗剪强度测定验证计算结果的合理性。 试样制备 所用 AC-13 沥青混合料级配如下表所示,胶结料采用 SK-90# 沥青,集料及矿粉均为石灰岩,沥青混合料的最佳油石比为 4.82%。首先成型为标准马歇尔试件,通过钻芯获得 20 × 20 mm的圆柱体芯样。 表1:沥青混合料级配 图像处理和模拟 采用 Xradia 410 Versa Nano-CT 设备对沥青混合料芯样进行层析扫描,将图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理。采用 Resample、Crop 工具调整图像分辨率和尺寸,基于灰度值使用 Otsu 自动分割工具获得集料、胶浆及空隙三个不同的相。 图1:Otsu 分割算法结果,紫色、绿色及白色区域分别代表集料、胶浆及空隙 直接对圆柱体芯样进行网格划分所得模型的单元数量将会过于庞大,需要消耗大量计算资源。同时为了保证计算结果的准确性,在芯样 10 个不同位置分别裁剪 2 × 2 × 2 mm 的立方体。在 Simpleware FE 模块选择 FE Grid 网格划分算法和生成六面体/四面体混合单元。 图2:在 Simpleware 中生成的网格模型 将由 Simpleware […]

采用基于 μCT 的有限元分析评估木材的导热系数

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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 […]

通过基于 Micro-CT 重建的孔隙尺度模型和数值模拟研究泡沫混凝土的渗透特性

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概述 泡沫混凝土主要由水泥浆和使用配制泡沫或专业化学发泡剂产生的较大体积气孔组成,较高的流动性、隔热性、能量吸收以及承受大变形的能力使其在土木工程中越来越受到关注。在大多数的应用中,泡沫混凝土的耐久性是一个不可避免的问题,而渗透性是决定长期耐用性的重要材料特性之一。 本项目提出了一种结合基于 X 射线显微计算机断层扫描(Micro-CT)图像重建技术和 Simpleware 软件研究泡沫混凝土渗透特性的方法。通过 3D 孔隙尺度结构模型讨论影响泡沫混凝土渗透性的主要因素,进一步分析边界条件对渗透率计算结果的影响。 试样制备 泡沫混凝土由 #42.5 普通硅酸盐水泥(OPC)、商业复合发泡剂和自来水组成。设计不同的目标湿密度,水/水泥(w/c)比率恒定为 0.45。圆柱体试样高 70mm,直径为 50mm。 表1:制备试样的特性 图1:不同密度的泡沫混凝土 采用高性能 Micro-CT 扫描设备(Zeiss Xradia 410Versa, Pleasanton, California)对所有试样进行扫描,然后将图像数据导入 Simpleware ScanIP 进行图像处理。 图2:不同密度泡沫混凝土的 2D 切片视图和 3D 重建模型(a)M1(b)M2(c)M3 计算模拟 一般情况下,当模型尺寸比孔隙大 10 倍时,可以忽略尺寸的影响。泡沫混凝土中大部分孔隙的直径小于 1.5 mm。因此,为节省计算时间和资源,裁剪 15×15×15 mm 的立方体模型进行研究。同时考虑到模拟结果的可靠性,选取了三个不同位置的计算模型。 图3:不同密度泡沫混凝土的计算模型(a)M1(b)M2(c)M3 在 Simpleware FE 模块为计算模型生成高质量的四面体网格模型,网格粗糙度设置为 0,沿 Z 方向定义流体的入口压力 20 Pa和出口为开放边界。假设流体仅通过孔隙且不渗透水泥基体,设置侧壁为不渗透边界。在流固界面上施加无滑移条件,假设流体为水。在 Simpleware FLOW 模块进行渗透模拟,计算渗透率。 […]

激光功率对激光粉末床熔融加工 316L 不锈钢缺陷、织构和微观结构的影响

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概述 增材制造(AM,也称 3D 打印)的潜在优势(如复杂几何形状的制造)吸引了汽车、航空航天、国防和医疗行业的广泛关注。激光粉末床熔融(L-PBF)是金属零件制造的技术之一,基于离散堆积的成形理念逐层熔覆沉积制备三维实体样件。L-PBF 具有柔性化程度高、加工速度快、对样品尺寸及形状无限制等特点,关键加工参数包括激光功率、扫描速度、激光束尺寸、层厚度、舱口间距和扫描策略。 L-PBF 的局部连续激光熔化过程会因高热梯度而产生热残余应力,从而导致增材制造零件的破裂、分层和变形。此外,孔隙率也是一个关键问题,特别对于需要高拉伸强度和抗疲劳性的零件。本项目研究了激光功率对激光粉末床熔融 (L-PBF) 加工的 316L 不锈钢(SS)缺陷特征、微观结构发展、组成相和晶体织构的影响。 亮点 在最佳加工制度下,激光功率降低一半时孔隙率增加约 7 倍。随着激光功率的降低,熔池形貌由扁平宽大转变为鱼鳞状。择优取向由强( 200 )织构转变为随机织构。 实验 材料和 L-PBF 处理条件 所用材料为商用气雾化 316L 不锈钢粉末,使用 L-PBF 系统(改进的 AconityLab 设备,Aconity3D)和 400 W 的 Yb 光纤激光器在氩气氛中打印圆柱形样品。在所有其他加工参数保持不变的情况下,分别使用 380 W、320 W、260 W和 200 W 的激光功率打印四个圆柱体。所有样品均采用激光扫描速度 300 mm/s、激光束直径 0.207 mm、标称粉末层厚度 0.06 mm。预估体积能量密度(VED) 为 102、86、70 和 54 J/mm3。 同步辐射X射线成像(sXCT) 在阿贡国家实验室采用高能量、高分辨率 的 sXCT 测量以亚微米分辨率表征打印圆柱体样品的宏观缺陷。原始数据以 HDF […]

真实干燥岩土计算机断层扫描的热导网络模型

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概述 热导率是核废料处理、电缆掩埋、农业和地热能等应用中的关键参数。在浅层地热能系统中,应最大限度地提高通过土壤和灌浆传递热量的速率。无论哪种方式,控制热导率的能力本质上依赖于对引起热流增加或减少的潜在现象的基本理解。对于(饱和)岩土材料,传输模式包括通过颗粒传导、颗粒间接触和间隙相,以及辐射和对流。虽然实验测量可以提供准确的热导率值,但通常无法获得有关这些传递模式的局部微观结构信息。为了解多孔颗粒材料为何表现出一定的热导性,需要获得微观尺度的结构、几何形状和连通性信息。 本研究提出了一种从真实干燥地质材料的高分辨率图像中提取热导网络模型(TCNM)的方法。为进一步证明实用性,分析了一系列具有不同颗粒形状复杂性的材料(包括玻璃珠、渥太华砂、棱角砂和片岩)对零横向应变应力的热响应。 试样 选取 5 种涵盖不同颗粒尺寸分布和颗粒形状的材料,进行显微计算机断层扫描。 表1:所用颗粒材料 玻璃珠试样包含由二氧化硅制成的近球形颗粒,渥太华砂和棱角砂主要由最常见的结晶二氧化硅组成:石英。为便于比较,对渥太华砂进行筛分,受长期侵蚀的渥太华砂比棱角砂颗粒更圆润、光滑。破碎的片岩试样具有最复杂的颗粒形状,由石英和长石矿物组成,其中至少 50% 是板状和细长形状。片岩 B 试样是一种特殊类型的变质岩,还含有云母。 图1:2D(水平)CT 切片(a)玻璃珠(b)渥太华砂(c)棱角砂(d)片岩 A(e)片岩 B 图像处理 使用网络模型表示颗粒和多孔介质的一个关键优势是能够离散地表示组成材料的孔隙、喉道、颗粒和颗粒间接触。使用 Otsu 分割方法将扫描获得的 μCT 图像数据分割为固体和空隙,然后执行分水岭算法。尽管合并了相邻的局部最小值,但在某些情况下也会错误将同一颗粒分离为两个区域。 图2:扫描获得 μCT 图像数据的分割过程(1)图像堆栈(2) 3D 重建(3)分割固体与空隙(4)运用分水岭算法将固体和空隙分别分割为单独的颗粒和孔隙(5)固体空间分水岭中的一些误差 热导网络模型 通过计算颗粒 ID、质心、体积以及与试样顶部和底部边界的相对位置对颗粒分水岭输出进行后处理。如果区域/颗粒与试样的顶部(或底部)边界相交,则该颗粒被识别为入口(或出口)颗粒(橙色点)。接触和临近接触的识别是构建热导网络模型的关键步骤,将直接影响网络架构和产生的热流。在这里,“临近接触”被定义为彼此非常接近的两个颗粒。 图3:热导网络模型(G-TCNM)通过将颗粒表示为节点和由颗粒临近或接触的边连接而构建。(1)G – TCNM的输入:重构灰度图像和两者分水岭(孔隙和颗粒)(2)分水岭图像前处理过程中计算参数和标识符的选择(3)G – TCNM 边缘加权的热导计算总结,区分了接触颗粒和临近颗粒。 标记每个颗粒与任何其他物体接壤的体素,检查邻近的 6 个体素(上、下、左、右、前、后)范围,称为边界体素。使用这种方法,1 到 2 个体素长度的(真实)颗粒间间隙可能会被错误地识别为接触,此类错误接触的热导将受到惩罚。为构建 G-TCNM 网络,每个颗粒首先要被分配一个节点。如果相应的颗粒接触或临近接触,则节点通过网络中的边(链接)连接。为计算通过所得网络的热导率,建立由 Batchelor 和 O’Brien 首创的圆形和球状颗粒组件及填料。 图4:(1)颗粒-孔隙或孔隙-颗粒的连接(橙色箭头),利用这些连接识别临近接触点(紫色虚线)(2)对于边界体素集合中的每个体素,间隙圆柱体的长度等于到另一侧边界体素的最小距离。 结果和讨论 G – TCNM与 FE 模拟和实验测量的比较 按照 […]

利用 Micro-CT 技术快速分析玉米籽粒的饱满度特性

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概述 玉米是全球产量最高的粮食作物,是主要的粮食资源和重要的工业原料。玉米籽粒的品质反映了籽粒产量和品种适应性。玉米籽粒饱满度是衡量玉米产品产量和品质的重要表型性状。玉米籽粒饱满度的定性和定量分析是研究玉米遗传因素、生理过程和改良方法的最重要前提。 传统方法测量籽粒密度等指标耗时且困难,迫切需要简单、快速、可靠的分析方法鉴定玉米的产品品质和育种的种质资源。本研究基于 Micro-CT 技术对玉米籽粒进行三维重建,检测不同类别玉米籽粒之间的解剖差异,通过测量计算籽粒密度、空腔、孔隙度等表型特征及与种子饱满度分级的密切关系。 图像处理 从每个自交系中随机选择两组品质不同的玉米粒 X178 和 W99。随机选择籽粒,然后分别使用 X 射线 Micro-CT 系统(SkyScan 1172,Bruker Corporation)对整个籽粒进行扫描。将图像数据导入 Simpleware 软件进行处理,基于不同部位的灰度值利用阈值、洪水填充和区域生长等工具分割。 胚胎和玻璃体胚乳的灰度值非常接近,在全局 3D 图像上通过“区域生长”分割这两个部分会很困难。因此,打开“区域生长”工具,设置 Number of iteration = 1,Multiplier = 2,Initial neighborhood radius = 1。依次分别应用在合适的 2D 切片上,使用形态学操作 Close 获得胚胎结构,然后通过布尔运算得到胚乳,利用侵蚀工具获得果皮。 图1:在 Simpleware 软件中基于 Micro-CT 3D 图像分割玉米籽粒胚、胚乳和空腔的流程 结果与讨论 玉米粒的 2D 和 3D 图像 在二维切片图像中可观察到,玉米粒由果皮、胚、胚乳和空腔组成,通过 X 射线吸收值的不同可以区分。籽粒中的胚乳有玻璃质和粉质两种类型。与粉质胚乳(较暗)相比,玻璃质胚乳(较亮)更硬,籽粒外部密度更高。由于粉质胚乳中淀粉的压实度较低,存在许多气孔。从明暗对比来看,周围的空气和内部空隙都是黑色,胚胎是明亮的。在所有重复测试中,两组种子的粉质胚乳中均观察到较大的空腔,且在自交系 X178 的种子中更为突出。比较两种玉米种子的 CT 图像,饱满度差异明显。 […]

利用 X 射线 CT 分析高强度焦炭结构

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概述 焦炭是一种多孔材料,在高炉炼铁中可用作还原剂、隔板并提供热量,焦炭强度是支撑铁矿石和使气体通过高炉熔化区的重要物理性质。本项目将利用 X 射线 CT 和 Simpleware 软件实现焦炭微观结构的可视化和量化,研究焦炭孔隙结构对焦炭强度的影响。 亮点 利用 X 射线 CT 扫描获得焦炭微观结构在 Simpleware ScanIP 中对焦炭图像进行分割和结构分析在 Simpleware SOLID 模块进行应力分析 试样制备 采用不同粘结煤成分制备两种焦炭试样:焦炭 A 和焦炭 B。按照强度大小,将焦炭 A 和 B 分别命名为“HS(较高强度)焦炭”和“LS(较低强度)焦炭”。每种焦炭各制备两个样品用于 CT 扫描。 表1:制备焦炭所用粘结煤的特性和配比 表2:焦炭试样的性质 图像处理和模拟 采用 Micro Focus X 射线 CT 系统对焦炭试样进行扫描。将图像数据导入 Simpleware ScanIP 进行处理,利用阈值工具基于灰度值将焦炭结构分割为孔隙、基体和高密度基体。 图1:焦炭试样的图像处理过程 在 Simpleware SOLID 模块进行应力分析,去除孔隙部分,为基体和高密度基体结构生成 350 万个网格单元。通过沿单轴 z 方向均匀移动表面施加拉伸,其他两个轴向保持自由。为简化分析,界面使用共享节点。 图2:Mises 应力可视化分析的计算方案 结果与讨论 焦炭结构 焦炭试样的体素图像和成分组成如下所示,HS 焦炭具有较低的孔隙率和较高的基体占比。 图3:焦炭试样的体素图像 表3:焦炭成分分析结果 孔径分布及孔隙形状参数分析 使用比表面积测量仪获得孔径分布,HS 焦炭和 LS 焦炭试样几乎没有差异,主要孔径为 100-150 μm。 图4:焦炭试样的孔径分布结果 在 Simpleware 中进行结构分析获得焦炭试样的孔隙球形度分布,垂直柱表示对应的孔隙数量。 图5:焦炭试样孔隙的球形度分布 应力分析 […]

离散元方法和通过 X 射线计算机断层扫描表征的锂离子正极结构电化学建模

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概述 锂离子电池因其高容量、高功率的优点,在储能领域发挥着至关重要的作用,广泛用于电动汽车和便携式电子产品等。电动汽车的快速发展要求高能量密度、高循环寿命和低成本,进一步改进制造工艺和电极设计仍然存在挑战。 在电极制造过程中,压延工艺是定制电极微观结构的关键步骤。在本研究中,使用离散元法(DEM)和粘结颗粒模型研究压延过程对电极微观结构的影响,对使用 X 射线计算机断层扫描(XCT)表征的真实电极结构和理想化 DEM 结构进行综合评估,计算分析基于断层扫描和 DEM 的电极结构及输运特性,即孔隙率分布、比表面积和曲折因子。在考虑碳粘合剂域(CBD)相之后,进一步分析电化学性质。 亮点 对基于高分辨率 XCT 表征和 DEM 的锂离子电池阴极结构进行评估在 Simpleware 软件中生成高质量的四面体网格,将网格模型导入 COMSOL 中进行仿真考虑不同的压延水平和 CBD 相,分析电化学性能 方法 图像处理 电极结构由 96 wt% LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622,BASF)、2 wt% C65 炭黑(Imerys)和 2 wt% PVDF(Solvay)配制,使用带有 MTI MSK-HRPMR100DC 压延设备的辊压机将干燥的电极压延两次。通过 XCT 对阴极结构进行表征,采用未压延结构和压延结构与 DEM 预测进行比较。使用基于机器学习的图像分析工具 Ilastik 预测扫描图像中不同相的体积分数,即 AM 颗粒相、CBD 相和宏孔相。 原始扫描图像(图a)经过过滤和二值化后获得 AM 颗粒相(图b),进行分割处理分离和标记单个 AM 颗粒(图c),并获得其各自的体积和坐标。在 DEM 模拟中,阴极结构内的颗粒近似为球形颗粒(图d)。 图1:AM 颗粒相的图像处理步骤 DEM […]

 
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