Simpleware 软件在数字岩石、油气采矿领域中的应用合集

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Simpleware 为数字岩石物理和岩石分型提供解决方案 使用 Simpleware 这款全面的 3D 图像处理软件,可轻松可视化、分割并量化扫描数据(CT、micro-CT、FIB-SEM……)。利用软件强大的网格化工具进行多孔介质分析和虚拟特殊岩心分析,导出多域模型至 FE 和 CFD 求解器。也可用于计算扫描样本的有效材料性质。 典型应用案例 利用数字岩石计算有效物理性质的形态学变换策略        岩石是一种天然多孔介质,其结构中不仅包含岩石骨架,还有大量不规则的孔隙和孔隙流体。储层岩石的电学、力学和物理性质评价对于油气勘探具有重要意义。        基于 micro-CT 图像的数字岩心技术为岩石物理研究提供了新的途径,与传统实验相比也具有很多优势。利用三维数字岩心模型和多物理场模拟可以对岩石样品的有效物理性质进行数值评价。然而,在利用扫描图像进行数字岩心建模的过程中,存在各种影响岩石性质数值计算精度的因素,如形态学变换等。        应用于同一岩心样品的形态学变换策略会导致不同的孔隙率计算结果。研究表明,图像处理算法也会影响孔隙结构的重建,进而对样品的电学性质计算产生较大影响。本项目采用不同的形态学变换策略,对体素为 6003 的三维数字岩心模型进行研究。通过结合使用 Simpleware 和 COMSOL Multiphysics 软件,计算测量岩心模型的孔隙率和孔隙结构,模拟岩心模型的有效电学性质。 了解详情 脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究        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。 了解详情 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        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。 了解详情 基于三维数字模型的碳酸盐岩绝对渗透率的数值模拟与评估 […]

【Simpleware】基于 XCT 研究气泡分布不均匀对岩浆碎裂的促进作用

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一、概述 岩浆囊的快速减压是脆性碎裂的重要机制,从而导致爆炸性火山喷发。由于岩浆是一种粘弹性流体,它是否符合固体的碎裂标准应取决于该过程的速率和时间。利用粘弹性流体进行的减压实验表明,碎裂和膨胀行为由三个特征时间的组合控制:减压时间 tdec、材料的弛豫时间 τr 和气泡的粘性膨胀时间 τv。类似脆性碎裂的发生是试样表面裂纹处有相当数量的气体突然释放引起,气泡分布的形态比较复杂,裂纹是由于连续相的韧性断裂或气泡的连接在试样内部萌生。 tdec < τr 发生类似固态的脆性碎裂 tdec > τv 气泡只发生膨胀而不碎裂 τr < tdec < τv 发生类似固态的碎裂,但有明显的时间延迟 在火山喷发建模中,考虑脆性碎裂尤为重要。而在阐明脆性碎裂机制时,将破裂起始点与试样的内部结构一一对应起来也至关重要。本研究通过 X 射线显微断层扫描(XCT)数据表征减压前试样的三维气泡结构,并使用高速摄影结合可见光照明记录快速减压过程中试样的动态响应,建立表面裂纹开口和内部气泡分布之间的联系。利用有限元法(FEM)数值模拟计算试样在减压过程中的应力演化和变形场,采用线性 Maxwell 模型描述试样的粘弹性能,讨论尺寸和空间分布对裂纹发展和类脆性碎裂触发的影响。 二、实验和模拟 2.1 试样 含有气泡的糖浆具有与岩浆接近的较大刚度 G 且粘度 η 范围很广,是一种适合模拟岩浆囊碎裂的材料。本研究所用试样为麦芽糖浆,将过氧化氢溶液(30%)作为添加剂混合以产生气泡,添加二氧化锰粉末作为过氧化氢溶液分解的催化剂。 2.2 快速减压试验 利用快速减压装置模拟碎裂,将试样放在容器的铝质底板上,容器顶部用塑料薄膜密封。使用精密压力控制器进行氮气加压,通过焦耳加热粘附在薄膜上的细镍铬丝使薄膜破裂。由于薄膜的突然破裂,容器中的加压气体快速释放,从而对试样进行快速减压。 减压过程中装置内部的压力曲线可以用指数衰减曲线相当准确地近似: 其中,p0 为减压前的初始压力,pa 为环境大气压,tdec 为特征减压时间。p0 设定为 2.1 MPa,特征减压时间 tdec 约为 3 ms。 使用 SPring-8 的 BL20B2 光束线进行 XCT 扫描,像素尺寸为 15.5 μm。采用 12 位数字高速摄像机观察试样在减压过程中的动态行为,空间分辨率为 0.10 […]

结合 Micro CT和纳米压痕表征冻融喷射混凝土的微观结构损伤演化

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一、概述 喷射混凝土可广泛应用于钢筋混凝土挡土墙、地下结构、损坏桥梁修复、公路结构和水坝等受损结构的施工和修复,因此对其耐久性的研究变得越来越重要。在寒冷地区经常遭受冻融(F-T)条件,导致霜冻引起的损伤、质量损失以及模量、强度和断裂韧性的降低。研究微观结构的演变对于了解喷射混凝土在循环 F-T 条件下的劣化机制至关重要。本研究通过结合纳米压痕和 X 射线 Micro CT(NI-MCT)的集成统计方法表征喷射混凝土的微观结构损伤及其在 F-T 作用下的演变。 二、试样制备和扫描 本研究所用喷射混凝土试样由水泥、硅粉、磨细高炉矿渣(GGBFS)、骨料、沙子和水混合。使用减水剂和引气剂改善喷射混凝土的可加工性和抗 F-T 性。制备 24 个尺寸为 75 × 100 × 400 mm 的试样进行快速 F-T 试验,循环温度为 -18 至 4 ℃,一个循环的时间为 4 小时。 为描述细观尺度的微裂缝扩展,从 0、150、300、450 和 600 次 F-T 循环的试样中切下 5 个尺寸为 10 × 10 × 10 mm的试样进行高分辨率 Micro CT 扫描。在界面过渡区(ITZ)损伤表征中,从 0、300 和 600 次 F-T 循环的试样中切下 […]

基于 XRCT 数值模拟透水路面混合料在现场和实验室的渗透特性

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一、概述 透水路面混合料的排水能力通常使用变水头渗透仪在远高于现场预期的水头下测量。在实验室中准确评估渗透性对于避免排水性能的严重高估或低估至关重要,这将会影响设计参数如孔径、出水管和排水系统,以及选择适当的级配和厚度,这些因素直接影响路面的成本和现场预期功能。 计算流体动力学(CFD)和基于 X 射线计算机断层扫描(XRCT)建模的最新研究进展则消除了保持较低水头的实验室挑战。然而,数字图像处理(DIP)和有限体积模拟中的不当表征会导致渗透率测量和流体流动行为的显著误差。过往研究确定了在透水路面混合料中遵循 Izbash 和 Forchheimer 定律的非达西流体流动特性,本研究通过使用先进的基于 XRCT 建模方法比较不同实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数,有助于更好地理解目前实验室测量的局限性,为开发更精确的渗透仪或更好的路面排水设计提供新的见解。 二、亮点 开发可以模拟现场水力梯度下流体流动特性的数值模型 比较实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数 由适当的 DIP 算法和速度获得雷诺数表征流体流动状态特性 三、试样制备和实验 使用单一尺寸和密级配骨料制备三种不同的圆柱形透水混凝土混合物试样,记为 P1、P2 和 P3。每种试样有三个,如表示为 P1-1、P1-2、P1-3。混合物中包含粗骨料、I 型水泥、高效减水剂,水灰比为 0.3。 表1:不同试样的骨料级配 采用 ASTM C1754-12 标准测定透水混凝土试样的有效孔隙率。使用变水头渗透仪测定非达西渗透系数和流动指数,施加从 150 到 25 mm的上游水头并保持恒定的下游水头,通过测量和分析流速获得渗透参数。 四、模拟 4.1 扫描和图像处理 采用西门子 Somatom Emotion 医用 X 射线 CT 扫描设备获得透水混凝土图像,体素尺寸为 0.326 × 0.326 × 0.7 mm。将扫描数据导入 Simpleware 软件进行图像处理,基于阈值分割透水混凝土试样的固体相和孔隙相,在 Simpleware FE […]

通过有限元模拟预测 3D 打印多孔钛牙种植体的疲劳寿命

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牙种植体必须承受施加在天然牙齿上的咀嚼负荷,这些重复的力可能会导致种植体松动或失败。在牙种植体中加入孔隙可增加与骨骼的接触表面积和作为药物输送装置,从而改善长期稳定性和降低失效风险。

加入多孔特征会削弱种植体的机械能力,但必须确保足够的疲劳强度,而根据 ISO 14801 测试各种多孔结构的成本高昂且耗时。本研究对 3D 打印多孔钛牙种植体试样进行机械性能测试,建立耐久极限(即无限疲劳寿命)与单调荷载至失效之间的关系,开发和校准有限元模型预测给定多孔结构的疲劳寿命。

混凝土的细观建模:异质性对局部应力、应变和 RVE 的影响

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在细观尺度上,混凝土是一种多相异质材料,全面了解底层力学并充分考虑微观结构的异质性对于更好地设计混凝土等下一代复合材料至关重要。本研究结合细观建模、原位 X 射线计算机断层扫描成像(XRCT)和原位 3D X 射线衍射(3DXRD)测量研究异质性(微米级骨料、水泥浆、界面过渡区、高密度相和气孔)对混凝土宏观和微观响应的影响。

基于细观力学建模分析卡车载荷下柔性路面的非线性行为

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沥青路面会出现诸如车辙、膨胀、推挤、开裂和坑洼等各种问题。准确评估卡车载荷对道路结构的影响,需要对产生的应力和应变进行深入分析。本研究开发了一个预测柔性路面行为的动态模型,不仅考虑到沥青层效应,还能准确表征路面结构内的所有层。将基于 Kelvin 粘弹性模型的用户自定义材料子程序(UMAT)集成到 ABAQUS 软件进行非线性粘弹性分析,结合由 Simpleware 软件基于真实扫描数据创建沥青混凝土结构的模拟与实验结果验证,比较 Simpleware 软件与 ABAQUS 生成网格模型质量对模拟精确度的影响。

通过生成对抗网络为异质和拓扑复杂的 3D 材料创建微观结构

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本研究采用由 Xe 等离子聚焦离子束扫描电子显微镜(Xe PFIB-SEM)获取的大尺寸 3D 微观结构数据集,通过生成对抗网络(GAN)框架学习和生成固体氧化物燃料电池电极的 3D 微观结构。利用有限元分析进行电化学性能模拟,并与基于晶粒的生成算法(DREAM3D)进行对比。机器学习模型能够以高保真度重建微观结构,使其成为 ICME 工具集中有价值的补充。

 
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