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 […]

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 […]

利用均质化分析验证改进 GFRP 平纹编织材料缺口压缩层间剪切试验方法的适用性

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概述 近年来,玻璃纤维增强塑料(GFRP)因其高比强度、优异的可加工性和可塑性,已被广泛应用于电子基板、船舶和汽车外饰零部件等领域,成为不可或缺的材料。GFRP 是一种具有各向异性的复合材料,根据施加应力的主轴方向表现出复杂的变形和断裂行为:拉伸、压缩、弯曲、面内剪切、层间和面外剪切或这些行为的组合。 使用计算机辅助工程(CAE)设计产品时,迫切需要能够单独评估各部件失效行为的测试方法。而在缺口压缩层间剪切强度试验中,层叠方向的试验片尺寸短至 3.5~6.5 mm。由于层间剪切应变集中区域很窄,无法获得剪切应变。本项目研究了改进的缺口压缩测试方法是否适用于平纹编织的 GFRP,通过数值模拟重现弯曲、剥离等受基体树脂特性影响较大的变形行为,准确掌握层间剪切特性。 亮点 根据 X 射线 CT 细观结构观察结果建立 CAE 分析模型从摩擦系数的角度针对试件的约束条件进行均质化分析测量值与分析结果吻合良好 准备参数 GFRP 平纹编织材料层间剪切性能评估 试样为厚度约 10 mm 的 GFRP 平纹编织平板,缺口槽间隙宽度设计为 1 mm。依次涂抹黑色和白色喷剂,形成随机图案样式。 图1:试样形状 采用岛津精密万能试验机 Autograph AGX-50kNV、非接触式引伸计 TRViewX 和 GOM Correlate 软件获得平纹编织 GFRP 的层间剪切应力-应变关系图。在剪切应力达到 30 MPa 前为线性关系,之后呈现非线性关系,50 MPa 左右屈服。由 0.1 ~ 0.3 % 应变与应力的关系,通过最小二乘法计算得到的层间剪切模量为 2546.1 MPa。在 10 ~ 40 MPa 下 DIC […]

I-FIT沥青混凝土的微观力学建模

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概述 柔性路面常用分析和设计方法的主要局限之一是缺乏适当的材料表征,即沥青混凝土(AC)的粘弹性、粘塑性、各向异性;颗粒材料的应力相关、各向异性;以及通过结构能力分析预测开裂导致的基底断裂响应和各种形式的破坏。AC 材料的应变响应会受到 AC 混合料微观结构特征的影响,如骨料的尺寸和分布、基体性能等。尽管实验和连续介质断裂模型可以通过计算断裂能、应力强度因子(SIF)或其他参数理解均质化响应,但并没有区分在裂纹尖端能够发挥显著作用的微观结构特征。 本研究使用微观力学有限元模型研究 AC 在半圆弯曲(SCB)断裂试验、伊利诺伊州柔韧性指数试验(I-FIT)过程中的行为;利用数字图像相关(DIC)技术计算的应变场及测量的全尺度应力对模型进行多步验证;建立微观力学模型评估骨料级配、骨料分布和空隙空间等微观结构特征对 AC 断裂行为的影响。 有限元模型 两个二维有限元模型(FEM):线弹性均质模型和粘弹性非均质微观力学模型,都通过平面应变有限元简化二维空间中的采样。 线弹性均质模型 遵循 AASHTO TP 124 在 ABAQUS 中表示荷载和几何形状。二维 I-FIT 模型如所示,直径为 150 mm,在中心处锯开一个长 15 mm、宽 1.5 mm 的缺口。采用平面应变假设,厚度为 50 mm。试件由两根相对于切口中心对称放置的无摩擦杆支撑,以 50 mm/min 的速率施加位移控制载荷。关于网格配置,缺口周围采用三角形平面应变单元,其余部分采用四边形单元。 图1:低密度聚乙烯(LDPE)试样(a)试验(b)FE模型 粘弹性非均质微观力学模型 对于粘弹性微观力学模型,由骨料和砂浆组成。假设骨料相为线弹性,弹性模量为 60 GPa;砂浆相定义为沥青结合料、空隙和过 2.36 mm 筛骨料的组合,设定为线性粘弹性。 采用两种方法定义 I-FIT 试样中的骨料分布:(1)基于实际 I-FIT 试样测试前获得的图像数据,导入 Simpleware 软件分割出不同的相;(2)基于 Python 脚本在 I-FIT 几何形状上创建随机骨料分布,与特定配料设计具有一致的骨料级配和体积比。 图2:骨料分布试样(a)DIC 和 […]

 
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