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 […]

通过添加线圈减缓在右侧放置植入式心律转复除颤器的发生器引发除颤阈值升高

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概述 植入式心律转复除颤器(ICD)是治疗致命性心律失常最有效的方法,在激活的发生器(can)和右心室(RV)线圈间传递跨越心室心肌的强烈双相电击。通常会将发生器放置在患者左胸锁骨下,远端电极导线植入右心室(RV)腔内,一般是心尖位置。由于各种条件或与导线相关的并发症,这种配置并不总是可以实现,例如先前在左侧的装置感染可能需要重新在右胸植入。还可以选择将电击线圈放置在 RV 室间隔处,而不是像心脏再同步化治疗除颤器(CRT-D)设备那样放置在心尖。 本研究基于高分辨率的 CT 扫描图像数据创建整个躯干的计算模型队列,定量评估是否可以通过右心室(RV)电击线圈的交替定位或在上腔静脉(SVC)和冠状窦(CS)添加线圈减缓右侧发生器配置中除颤阈值(DFT)的潜在增加。 模型生成 躯干模型 获得 5 名接受经导管主动脉瓣置入术计划患者的整个躯干 CT 扫描(0.7 × 0.7 × 0.5 mm)以及额外更高分辨率对比心脏扫描(0.3 × 0.3 × 0.5 mm)的图像数据,在 Simpleware 软件中对主要器官、皮肤和骨骼进行分割。为右心室壁将血池膨胀至 3.5 mm,为左/右心房和主动脉将血池膨胀至 2 mm,并调整重叠区域。此外,还单独分割出肺静脉和 SVC 的血池和壁。 肥厚型和扩张型心肌病 根据测量尺寸初步评估五个心脏模型的病理结构差异,发现其中两个患有肥厚型心肌病(HCM)。为扩大模型队列,对心脏几何形状进行修改,为每个病例生成三个结构不同的心脏,即健康、HCM 和扩张型心肌病(DCM)的心脏。 表1:健康、DCM 和 HCM 心脏的左心室舒张末期直径与心室壁厚度 缺血性心肌病 为重现缺血性心肌病(ICM),随机选择根据梗死的猪心脏晚期钆增强 MRI 重建五种不同的梗死疤痕并映射到五颗健康心脏。选择疤痕位置代表各种典型的灌注区域:左前降支(LAD)、左回旋支(LCA)、右冠状动脉(RCA)。 图1:(A)五个健康心脏中在 RCA、LCA、LAD 灌注区的梗死疤痕(B-F)ICD配置的 RCA、LCA、LAD 疤痕模式下 DFT 能量的比较 ICD 的电极放置 按照设计的每个 ICD 配置将虚拟线圈/发生器植入躯干模型中。对标准经静脉 ICD 配置进行建模,将 RV 电击线圈(直径 2 mm,长 […]

 
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