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。
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。
骨缺损修复的复杂性和多维性是现代医学面临的重大挑战。本研究提出一种使用高分辨率(7500 × 3240 像素,1152 像素/英寸)液晶显示器(LCD)作为动态掩模发生器的桶式光聚合技术,可制造出孔隙率高于 90%、孔径低于 200 µm 且最小壁厚为 38 µm 的 TPMS 结构。
本研究通过对孔隙级流体和固体域的三维高分辨率图像处理和计算流体动力学建模与传导传热模拟,估算有效导热系数。
Simpleware 三维图像处理和模型生成的专业平台于近日发布了 V-2024.06 新版,包含许多新增功能和改进,如Simpleware AS Ortho模块中脊柱 CT 和髋关节翻修 CT 的自动分割、截骨导板设计、应用 AI 的骨骼填充滤波器。
本研究介绍了一种基于 MRI 创建 PF 关节软骨 3D 模型的方法,帮助更好地了解滑车发育不良、相关病理和 PF 关节一致性等信息以辅助诊断和治疗 PF 患者,特别是复发性髌骨脱位患者。
概述 众多可持续发展目标需要探索和生产新的可持续材料。作为最有前途的材料之一,多孔金属结构由于其较高的表面积、刚度和孔隙体积及固定的孔隙网络成为改善流体和传热的理想候选材料。固体含量较高的泡沫为闭孔金属泡沫,而固体含量较低的泡沫为多孔金属泡沫。材料的拓扑和孔隙结构特征往往受到生产工艺(发泡、铸造、烧结等)路线和操作条件的影响,可由几乎所有液态金属或金属粉末制成,包括铝、铜、镍、钢、铁和合金。多孔金属可广泛应用于航空航天、热力水力输送、燃料电池、吸声板、空气净化技术和环境减排等。 为设计可应用于高效传热传质的金属泡沫,了解其流体结构特性、流体流动状态和边界是非常必要的。本项目采用多学科方法,利用实验、计算流体动力学(CFD)建模和仿真以及人工神经网络(ANN)机器学习反向传播研究液态熔体渗透技术制备铝泡沫的流体动力学。 图像处理 将含 99% 铝的液态熔体加热至 800 ℃ 后分别倒入由近球形盐、软水盐和粒状盐的空心填充床组成的模具中,凝固后压实。 图1:由近球形盐(1.4-2.0 mm,a2)和粒状盐(3.0-4.0 mm,b2)制成多孔铝结构的摄影图像(左)和扫描电子显微镜(SEM)图像 使用 Zeiss Xradia Versa XRM-500 X 射线计算机断层扫描(CT)系统获得图像数据集(3000 张 TIFF 格式),导入 Simpleware 软件中进行图像处理,应用各种工具(阈值、滤波器、腐蚀和膨胀等)生成 3D 体积结构。在Simpleware ScanIP 模块中,从一个大的 3D 模型中裁剪出合适的 3D RVE(代表性体积单元)结构,使其测量的孔隙率与实验得到的名义孔隙率仅相差 ±3 %,尺寸为材料平均开孔直径的 3-5 倍。在 ScanIP 中可以直接测量铝泡沫的孔隙率、体积和表面积,平均孔径和平均开孔通过平均分水岭分割孔隙和开孔流体域 3D RVE 的中心线得到。 在 Simpleware FE 模块生成 3D RVE 流体域的四面体网格模型,最小和最大边长分别为 3 倍和 7 倍体素尺寸,获得 5 种铝泡沫试样的最佳网格密度(2.6-3.1 Mcells)。设定边界条件,求解 […]
概述 治疗早期膝骨关节炎的其中一种方法是胫骨高位截骨术(HTO)。然而,HTO 具有挑战性且可能引起并发症。在本研究中,通过使用 Simpleware 软件创建 28 名患者的虚拟模型开发了一种新的个性化 HTO 器械,采用计算机模拟试验与标准治疗比较,验证的骨科器械的安全性。 结果表明,该个性化器械与标准器械具有一致的安全性,已申请在英国获得 MHRA 批准,应用于正在进行的临床试验,增加 HTO 作为治疗选择的使用。 亮点 为比较个性化 3D 打印胫骨高位截骨(HTO)器械与现有通用器械的机械安全性进行计算机模拟试验。 使用 Simpleware 软件处理患者 CT 数据和通用器械的扫描图像,生成 28 个可用于模拟的准备模型。 结果表明,新型器械的安全性并没有增加风险,可为个性化 HTO 提供支持。 介绍 胫骨高位截骨术(HTO)是一种简单有效治疗早期膝关节骨性关节炎的方法。相较于全膝关节置换,年龄较小的患者可能更倾向于 HTO。而全膝关节置换在老年人中更常见,因为他们对长期性能的需求较小。然而,由于难以实现精准的计划矫正,很少有外科医生考虑这种手术。在本案例研究中,通过计算机模拟临床试验比较新型个性化 3D 打印 HTO 板和现有通用模型,更好地评估安全性和有效性。 胫骨高位截骨术是在胫骨近端创建一个开口或闭合的楔形截骨,改变内翻对线,从而改变小腿的机械轴线,减少疼痛间室的负荷。截骨术通常使用接骨板稳固,常见的并发症包括疼痛和软组织刺激引起的不适。因此,实现足够的钢板柔韧性对于长期骨愈合和积极的患者预后至关重要。将针对于特定患者的接骨板优化为独特的骨骼几何形状,可能会提高其适配性和减少并发症。此外,具有个性化胫骨几何形状的数字化三维规划可以在术前确定螺钉的长度和方向,有助于减少手术时间。 在计算机模拟临床试验中,可以在同一个体的虚拟模型上预演多个手术,配对比较新型和已建立干预措施之间的力学结果和失败风险。这些试验遵循与物理临床试验相同的惯例和对照方案。本研究特别关注通过有限元分析(FEA)得到的生理负荷期间植入板上机械应力峰值。 图像处理 对 30名膝骨关节炎患者进行 CT 扫描,其中 2 名患者因 CT 扫描结果不佳而不纳入考虑。使用实验测得的刚度和强度变化对标准尺寸 TomoFix HTO 板(DePuy Synthes)进行功率分析,有助于确定患者队列规模的适宜性。Tomo Fix HTO 板是一种广泛植入的 HTO器械,在本研究中作为“通用器械”。 将 CT 数据导入 Simpleware 软件进行分割,确定 5 个感兴趣的关键标志点。利用 MATLAB 计算出所需的截骨矫正角度,使改变的机械轴穿过从内侧到外侧胫骨平台距离 62.5 % 的点。对每位患者进行虚拟 HTO 手术,通过创建开口楔形截骨改变膝关节的机械轴,手术模拟在 Ansys SpaceClaim 中进行,由专门从事膝关节手术的骨科医生指导。 图2:采用由 Simpleware 软件创建的 3D 几何结构在 Ansys […]
概述 钢铁产量中近 70% 来自采用高炉(BF)工艺生产的生铁,因此钢的成本很大程度上取决于 BF 的寿命。由于耐火材料的劣化,BF 的寿命有限,特别是聚集着液态金属的高炉炉膛中使用的耐火材料。设计更具有适应性的新型耐火材料需要全面了解工作过程中发生的劣化机制,而各种机制都取决于耐火材料的孔隙结构,并受到多孔介质中传输的限制。 本项目基于 X 射线计算机断层扫描(XCT)获得 3D 孔隙结构,开发并测试了一种耐火材料中熔融金属渗透的演化模型。假设等温渗透,材料中存在的相具有不同的润湿性且碳相选择性溶解,分析不同初始熔融金属成分和各种润湿条件对渗透过程演变的影响。 试样准备 微孔碳材料由 Tokai COBEX 公司生产,主要原料是人造石墨粒、人造半石墨粉、硅粉和氧化铝粉,煤焦油沥青为粘结剂。固体颗粒与粘结剂的比例为3.64:1。将混合原料成型为 2500 × 700 × 500 mm3 的块体,在标准环形炉内还原气氛下烘烤,从制成样品中切割直径和高均为 10 mm的圆柱体作为试样,采用 XCT 进行分析。 准备三种类型的基材用于润湿性测量:石墨(G)、氧化铝(A)和碳化粘结剂(B),全部由用于生产微孔碳材料的相同原材料制备。为获得样品的各种化学成分,准备生铁废料、化学纯铁、工业纯铁、化学纯锰和两个对照熔体,分别表示为:M2C、M3C 和 M4C。为验证化学成分,在每次熔炼后使用 Foundry-Master 光谱仪分析铸铁样品的化学成分。 表1:用于润湿性测量准备的粗铁成分(wt%) 数据处理 使用 Nanotom 180S 设备(GE)进行 XCT 扫描,将原始图像数据裁剪为 1.25 × 1.25 × 1.25 mm3 的立方体,导入 Simpleware ScanIP 软件进行图像处理。基于灰度值分割为 5 个不同的相:碳化粘结剂(棕色)、石墨(蓝色)、氧化铝(绿色)、开孔(红色)和闭孔(黄色),其中使用 Flood Fill 3D 算法工具识别开孔。 图1:XCT 数据处理过程:(a)实测数据(b)裁剪数据(c)分割数据 在 Simpleware FE 模块采用 […]
概述 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种极具吸引力的电化学装置,可以直接有效地利用燃料的化学能发电。SOFC 在相对高温(600–1000 ℃)下工作,可实现较高的燃料灵活性,并通过热电联产系统中的废热回收提高效率。为充分发挥潜力,SOFC 需要进一步改进,在经济上与传统能源转换技术竞争,包括提高其耐用性和可靠性。 渗透是在预制电极骨架内生成具有特定性质(如特定电导率或电催化作用)纳米级固体的过程。渗透改变了电极的局部形态,对电化学反应位点的数量和/或质量和电荷传输具有积极的影响。在实验上,很难直接确定局部电化学如何受到影响和在相关长度尺度(几十微米量级)上以适当的分辨率(纳米量级)量化电化学活性位点的 3D 分布。 为了解纳米级渗透如何影响性能,需要能够模拟许多相对较大体积 3D 微观结构的计算工具。本项目通过研发的高通量开源仿真代码 ERMINE 对 55 种不同的阴极微观结构进行有限元模拟,探索 SOFC 中离子导体和电子导体作为渗透物的差异。 图1:从分割图像数据到模拟的计算工作流程 亮点 对渗透 SOFC 阴极进行电化学 HPC 模拟。 离子导体的渗透比电子导体更能提升性能。 离子导体将在 TPB 处产生的电流重新分布到整个电极上。 再分布降低了 TPB 处的局部欧姆过电势,增加了局部活性。 原始微观结构更能显著影响整体性能。 图像处理 采用商业阴极结构的图像数据进行 3D 重建,原始数据尺寸为 126 × 73 × 12.5 μm3,体素为 55 × 55 × 50 nm3,基于灰度值将其分割为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、镧锶锰氧化物(LSM)和孔隙。从完整模型中随机提取五个尺寸为 10 × 10 × 7 μm3 的较小微观结构子体积,记为 BB_i (i = 1-5)。为更精准地分割出三相界面(TPB),通过重采样调整分辨率,将原有的 1 个体素由 8 个相同的更小体素组成。 对五个微观结构进行人为地渗透,随机选择与 LSM 和 YSZ 表面接触的一定比例孔隙种子。将渗透相(LSM […]
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 […]