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。
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。
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。
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.html
- O’Toole-Howes, M., Ingleby, R., Mertesdorf, M., Dean, J., Li, W., Carpenter, M., Harper, E., 2019. Deconvolution of the elastic properties of bivalve shell nanocomposites from direct measurement and finite element analysis. Journal of Materials Research, 1-12
