优化大型强子对撞机的线圈设计

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大型强子对撞机(LHC)High Luminosity(HiLumi)的升级以及其他额外的升级依赖于超导 11T 偶极磁体增大束流亮度,从而扩大物理实验的数据样本。新的偶极磁体由Nb3Sn超导元件制成,在制造阶段经过非常特殊和必要的热处理后变得非常脆。 在 LHC 加速器最终装配和运行期间,微观超导元件(直径约 40 µm)对施加给磁体的应力和应变会非常敏感。理解和调控源于宏观尺度到微观尺度的应力和应变,以及它们导致超导元件的永久性退化对磁体的性能极其重要。 图:LHC隧道(来源:CERN) 基于三维图像建模的 Simpleware 软件在欧洲核子研究中心(CERN)的 HiLumi 项目中,采用先进的材料模型表征代表性的线圈结构,从而预测不同尺度下的性能。这项研究通过考虑真实线圈几何结构的全局应力,在股线和细丝水平上进行逼真的模拟。 图:线圈107的高清光学(像素数:11640 × 6264)图像以及为网格划分和有限元分析将图像分割为不同的部分(来源:CERN) Simpleware 软件为处理三维图像数据提供了一个快速、直观的环境。在这个案例中,首先通过 X 射线 CT 扫描创建铝制部件(包含缺陷)的一组图像。ELEMCA 实验室使用 Simpleware ScanIP 分割组件和处理数据,捕获用于仿真的重要元素。 图:从完整的107线圈几何结构提取子模型,其SEM图像中分割出具有外载荷股线的应力分布。1:纤维/云母/树脂,2:股芯(退火铜),3:不锈钢芯,4:纯树脂,5:股线基体(退火铜),6:超导细丝,7:超导细丝(假设为退火铜)。环形区域显示在细丝之间呈现为高应力区域(来源:CERN) CERN 通过实验测试从线圈材料中获得应力-应变测量值。然而,他们发现有必要增加有限元(FE)模型的细节来进行模拟,以便更好地了解基于材料特性的行为。Simpleware 软件通过分割线圈截面的高清光学图像及同一线圈截面中微观超导细丝的扫描电子显微镜(SEM)图像能够解决这个问题。该方法可以在保留原始原型特征的情况下表征线圈复杂的内部几何结构。 CERN 在 ANSYS 中采用 Simpleware 创建的网格模型对线圈绞线和电缆的复丝进行真实的应力分析。Simpleware生成的精细网格使 CERN 能够提高测量应力的精确性,从而实现更准确和更有价值的模拟。本项目的结果正被用于改善 CERN 大型强子对撞机的线圈特性和长期性能。 CERN 的 Michael Daly 评价 Simpleware 软件对当前研究的重要性: Simpleware ScanIP 软件使我们能够利用光学和扫描电子显微镜的二维图像在多个尺度上分析 11T 偶极线圈的复杂性。偶极线圈的超导电缆内部存在固有变形,使用 CAD […]

Simpleware ScanIP中的纤维取向分析

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复合材料中纤维的分布和取向对其力学或热学性质有很大的影响,因此对组件的性能也有重大贡献。准确的纤维分析是验证设计的关键,但在一个相对较大的零件中,当纤维排列密集且直径是微米尺度时就非常具有挑战性了。仿真可以通过预测注塑或铸造过程中的流动模式,由此获取可能的纤维取向。然而这些方法并不完美,无法解释零件之间的差异。对于完全工程化的组件,仍然必须要对工艺和制造的零件进行验证。 Simpleware ScanIP 中的纤维取向分析工具可以帮助您从制造零件的 micro-CT 图像中获得取向信息,并应用在多种方法中以了解组件真实的性能和寿命。 Simpleware 纤维取向分析的优势 直接从图像数据进行快速的纤维取向分析,不需要图像分割表征纤维,了解密度和取向可视化的向量和图表方便理解并与同事分享信息导出详细的取向信息,用以改进有限元模拟中的材料属性表征 案例:纤维增强塑料(FRP)零件 我们以由纤维增强塑料(FRP)制成的电机安装支架为例。这种轻质复合材料是短切纤维束嵌入聚合物中形成的,具有高抗压和抗拉强度。这种材料有广泛的应用,包括: 航空航天组件——支架、机翼结构、襟翼等汽车——保险杠、支架、踏板等体育器材——滑雪板、自行车、桨等 与传统的金属组件相比,FRP 提供了更高的强度、弹性、耐热性以及更轻的重量。 micro-CT 扫描可用于检测 FRP 支架中的纤维。对于特定的分辨率,会有一个能够扫描组件的最大尺寸限制。因此,通常需要扫描组件的几个不同部分。可以将这些部分结合构成整个组件高度详细的 micro-CT 扫描,或者它们也可以是零件内不同的感兴趣区域(ROI)。 micro-CT 扫描可以详尽地显示整个零件的纤维,从而进行最佳的纤维密度和取向计算。然而考虑到零件的尺寸、时间和硬件资源等限制可能不满足这样做的条件。因此,扫描不同的 ROI 是一种可行的替代解决方案。基于单个区域的纤维取向信息,采用均质材料属性运行初始结构分析,然后从潜在高应力集中区域中选择出这些 ROI。获取不同 ROI 的扫描数据后进行纤维取向分析,然后将这些关键区域的取向信息添加到仿真模型中。用到的区域越多,局部材料属性的描述越准确,通过仿真获得FRP支架真实性能的表征就越好。 图:Simpleware ScanIP中纤维增强塑料(FRP)零件的纤维取向分析 怎样使用 Simpleware 的纤维取向分析 micro-CT 扫描投影被重建为一系列的 2D 图像切片,将其导入 Simpleware ScanIP。您可以采用 3D 背景体积渲染来可视化零件内纤维的分布和结构。如果使用不同的 ROI,也可以在 Simpleware ScanIP 中将它们配准到更大的 CAD 模型或更低分辨率的零件几何结构CT扫描。 纤维取向分析模型是利用图像数据创建的,不需要分割,只需指定纤维的尺寸(横截面)即可。通过快速的距离测量判定,然后根据图像分辨率和您的需求选择合适的取样大小(以体素为单位)。至此,运行分析前的准备就已经完成了。 虽然不需要,但您也可以进行图像分割,再将获得的能够代表纤维的掩膜添加到分析中。这种情况只考虑掩膜区域(在某些案例中处理速度会更快)的集中分析。建议在纤维填充率低、图像中包含几个相或成像有伪影的时候采用这种方法。 展示结果 分析完成后,您可以通过 Statistics 工具或 Vectors 工具展示结果。统计工具可以显示“全局”或“感兴趣区域”的取向结果,包括: 主要取向,可用于均质化模型特征分析全局取向张量其他 […]

基于3D图像和仿真应对电池设计挑战

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锂离子和其他类型的电池对许多应用都至关重要,制造商需要创新采用更轻、更持久、更安全的能源技术满足消费者的需求。电池的改进有助于推动从智能手机到电动汽车的未来技术,Simpleware 软件可以帮助研究人员通过三维图像建模、工业CT和其他类型的数据应对这些挑战。 图:AAA电池的Micro-CT扫描 基于3D图像和仿真优化电池性能 利用micro-CT和FIB-SEM等3D成像技术扫描电池,获得其独特的结构。根据这些数据,可以在微纳尺度分析离子分布、不同材料间的相互作用和孔隙率等特性,研究电池性能并识别缺陷,从而改进设计决策。 Simpleware提供的软件环境能够可视化、处理、分析电池图像数据,导出可用于模拟的有限元网格和3D打印文件。该软件可为用户提供许多关键优势: 创建复杂材料几何结构的详细模型,探索对性能的影响;通过计算模拟测试的途径作为补充,潜在地减少对昂贵实验测试的依赖;用户界面友好,可生成直接用于仿真的严密网格;依据工作流程的自定义设置和脚本选项。 Simpleware软件在电池建模中的一些常见应用包括: 电池内部结构的可视化图像的统计分析,如孔隙率创建用于仿真的高质量FE / CFD网格通过设计件与制造件的偏差分析识别缺陷有效材料性质(刚度、渗透率等)的计算 案例:AAA电池 图:Simpleware软件中AAA电池数据的分割 通过查看从标准现成的AAA电池中提取的信息,我们可以了解到Simpleware软件如何帮助处理电池的3D图像数据,本例为在Simpleware软件中处理由Micro Photonics提供AAA电池的micro-CT数据。使用不同技术获得的各种信息,如: 导入和可视化未经处理的2D和3D图像数据,通过将灰度信息映射为彩色和不透明度进行3D渲染,使用聚焦对比度突出感兴趣的特征。自动和手动的分割方式识别特征,包括阈值、Flood Fill、区域生长和Otsu操作,使用形态学、平滑和局部校正滤波器提升分割质量。采用Simpleware的局部校正滤波器处理大规模数据集,如电池这样的数据。先大幅缩减取样的扫描进行粗略分割,然后再转换为对全分辨率扫描应用滤波器。这样可以进行快速的初始处理,同时通过考虑灰度变化以减少射束硬化伪影的影响。获取测量数据,包括点/距离/角度、体积统计和中心线分析,以及面向对象的边界框、壁厚分析、原始形状自动拟合等高级测量选项。 图:在Simpleware软件中对AAA电池数据进行的一些测量和统计 在Simpleware软件中处理电池数据时,更重要的功能之一是用于质量控制的数据集配准和表面对比。任何类型的数据都可以使用手动标注和自动的方法进行对齐和比较,比如图像对图像、CAD对图像、CAD对CAD。 图:Simpleware软件中的数据集配准:扫描分割出的电池集电器与理想集电器CAD模型的对比(左);配准表面的偏差分析(右) 该项技术能够可视化表面偏差、统计信息和原始数据,从而研究电池的CAD设计与传统制造或增材制造版本的不同,以及将如何影响性能。 视频:Simpleware软件中AAA电池的可视化与分割 用户成功案例 其他Simpleware软件应用于电池建模的一些案例,包括滑铁卢大学、阿克伦大学、卡耐基梅隆大学、印第安纳大学和普渡大学的研究,如锂离子电池异质微观结构的分析。这项应用研究了锂离子电池LiFePo4电极的微观结构,由nano-CT重建模型,导出到COMSOL Multiphysics模拟不同放电速率下的阴极性能。通过这项工作,研究人员可以更好地了解锂离子在电池电极真实微观结构中的空间分布如何影响性能。 视频:在Simpleware ScanIP中由nano-CT数据重建锂离子电池 关于使用Simpleware软件的其他项目,如帝国理工学院和伦敦大学学院开展固体氧化物燃料电池寿命与降解方面的工作,研究电池在纳米和微观尺度上与热、电化学和应力因素的关系。Simpleware软件为处理图像数据和导出用于仿真的网格模型提供解决方案,使研究人员能够探索不同尺度下燃料电池的寿命和降解,表征不同阶段主应力和界面。 参与该项目的Farid Tariq博士描述了Simpleware Software如何“成为工作流程的一部分,提供了可能难以通过实验测量获得一些结果的见解,这些可能就是性能退化的来源及微结构优化的目标区域”。 图:固体氧化物燃料电池的三维重建:绿色的孔隙和透明的陶瓷 鉴于采用成像捕获电池具体细节这项技术的潜力以及运算能力的增长有助于实现更真实的模拟,这些工作流程对电池行业只会越来越重要。 参考 致谢和更多信息参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/battery-modeling-solutions.html

拉胀泡沫的结构和流体流动模拟【Simpleware应用】

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概述 拉胀材料的泊松比为负值,因此拉伸时它会在各个方向膨胀。本项目从华盛顿大学的同步加速器装置获得拉胀泡沫的高分辨率 3D 扫描数据。使用 Simpleware ScanIP 和 Simpleware FE 模块对数据进行自动分割和网格划分,将网格模型分别导出至 ABAQUS、Fluent 和 LS-DYNA 中模拟。 亮点 基于 Synchrotron XMT 的扫描数据(3 µm 的分辨率)自动分割和网格生成10 分钟内完成从图像到模型的处理对固体和空气域进行多部分网格划分,模型可用于结构和流体流动模拟 图像处理 将高分辨率(3 µm)的 Micro-CT 扫描数据导入 Simpleware ScanIP,对背景图像进行降噪处理,并使用自动的阈值工具分割主要区域。两个掩模代表泡沫和提取出的周围空气。 图:在 Simpleware ScanIP 中由 Micro-CT 数据分割泡沫 网格生成 在 Simpleware FE 模块中,几分钟内即可同时生成用于有限元分析的多部分网格,软件算法能够保证接触面上节点和元素的一致性。本案例还在材料的边界处创建了多个节点集,生成各种适合导出至 ABAQUS、Fluent 和 LS – DYNA 格式的网格模型。 图:在 Simpleware FE 中拉胀泡沫的多部分网格划分 模拟 接下来运行有限元和流体流动模拟。在 ABAQUS 中进行结构分析展示材料内部的弹塑性,Fluent 中的流体流动模拟计算通过空气域的流速和流固耦合作用,在 […]

双壳贝类纳米复合材料的弹性性能

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概述 剑桥大学的研究人员利用X射线计算机断层扫描和Simpleware软件表征天然生物复合材料的弹性性能。这些生物复合材料(如骨头、海绵骨针、鱼鳞和贝壳)具有独特的性能,可以耗散能量、受力弯曲、保护其他材料相免受损伤。分析这些性质有助于我们研究结构支撑、强化和吸收冲击能量的解决方案。 这个项目特别关注双壳贝类,因为这些水生生物对其环境具有很强的适应性,可以为如骨植入物等应用提供生物相容性和强度方面的认识。 亮点 以双壳类贝壳作为材料设计的灵感来源使用Synopsys公司的Simpleware ScanIP软件对复杂的micro-CT图像数据进行可视化和快速分割Simpleware SOLID模块计算有效刚度张量对弹性性能的计算模拟可用于改善产品设计 材料测量 通过实验测试获得双壳类贝壳样品的材料性能。取5种双壳类样品,用扫描电子显微镜(日本SEM-JEOL有限公司的JEOL JSM-820)比较微观结构。其他测试还包括使用Tinius Olsen 5 Kn万能试验机(英国Tinius Olsen有限公司)进行四弯曲测量、纳米压痕测量确定不同微观结构的杨氏模量和硬度,以及性能的各向异性。 图:四点弯曲夹具:将试样横置于下杆,通过上方两个弯曲点向下施加应力,上方弯曲点沿下方点以第三种方式跨越 图:从紫贻贝的壳切取一段用于四点弯曲测量 以上方法在捕捉双壳类贝壳微观结构的真实几何形状方面存在一些局限性。而基于均质化的有限元分析从X射线断层扫描成像获取实际微结构则能够提供更为可靠的解决方案。此方法考虑到了典型双壳类的多重微观结构以及它们如何共同发挥作用,以产生对不同环境的适应性优势。 借助Simpleware软件基于X射线图像的分析 使用Bruker SKYSCAN 1172 micro-CT设备对双壳类贝壳进行扫描,生成微观结构的三维图像。然后将数据导入Simpleware ScanIP进行图像处理,包括阈值化和分割,识别壳体的不同相。在Simpleware FE模块对分割后的图像数据进行网格划分,生成可直接用于进一步仿真的模型。 图:基于CT扫描数据进行耳廓扇贝棱柱状结构的分割和网格生成:(a)有机质(深灰色)可以从方解石棱柱(浅灰色)中区分出来,立方体尺寸0.4 x 0.4 x 0.27 mm3;(b-d)不同结构的有限元模型;(e)由有限个四面体单元定义的两相 本案例采用Simpleware软件物理模块中的SOLID模块通过施加(模拟)外力计算复合结构的有效刚度张量。特别是Simpleware SOLID提供基于均质化的有限元工具,在从高质量的X射线断层扫描数据获取壳体独特微观结构性能的结果中展现出相当大的价值。然后利用这个数据创建壳体的更大区域,缩减工作流程运行时间和降低硬件需求。 结论 剑桥大学开发的工作流程能够准确地模拟壳体内的压缩应力和拉伸应力,并了解如何通过材料中相的分布控制应变。分析还揭示了晶内有机质如何影响整个微观结构的刚度,以及由棱柱状微观结构产生的性能极端各向异性。人们加深了对软体动物贝壳的理解,比如相较于抵抗来自捕食者冲击带来的伤害,贝壳的弹性性能如何在具有游泳能力的物种中适应。 图:Simpleware SOLID模块中向耳廓扇贝壳体棱柱体部分施加Z方向(平行于棱柱体)拉力时的应力分布。方解石棱柱在XY平面显示为绿色,在ZX平面是橙色。有机基质为浅蓝色(XY平面)和深蓝色(ZX平面)。 Simpleware软件在将基于X射线断层成像的有限元分析应用于复杂生物复合材料的研究至关重要。利用这一工作流程,研究人员可以更好地理解生物复合材料的作用机理,以及如何将它们的自适应性延伸至改进其他产品设计的应用。 参考 致谢和更多信息请参考原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/shells.htmlO’Toole-Howes, M., Ingleby, R., Mertesdorf, M., Dean, J., Li, W., Carpenter, M., Harper, E., 2019. Deconvolution of […]

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 […]

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 […]