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

Posted · Add Comment

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

Posted · Add Comment

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 […]

经导管主动脉瓣植入术中支架放置和旋转方向对假体小叶内应力的影响

Posted · Add Comment

概述 主动脉瓣狭窄(AS)是一种瓣膜小叶钙化和结构扭曲逐渐抑制正常功能的疾病。AS 的常规治疗是外科瓣膜置换术(SVR),但因其极具侵入性,大约 31.8% 的患者被认为不适合该手术。因此,开发出一种替代的微创治疗方案即经导管主动脉瓣植入术(TAVI)。 TAVI 装置是个圆柱形支架,但在植入后会由于原生阀瓣上的钙化材料对支架施加不规则力引起局部膨胀。因此,变形TAVI装置内的小叶可能会承受增大的应力,导致装置过早失效。本项目通过计算分析,模拟一个完整的 TAVI 装置模型,并将其与由 CT 数据获得的主动脉根模型整合,随后进行压力模拟的心动周期。 亮点 在 Simpleware 软件中处理患者 CT 扫描数据,分割主动脉根部并与 TAVI 装置整合;在 ABAQUS 中模拟该装置的心动周期;通过将假体放置在不同角度方向的模拟评估对小叶应力的影响。 方法 获取 83 岁患者心脏舒张期的 CT 扫描数据,导入 Simpleware 软件进行图像处理,分割出主动脉根部、与退行性主动脉狭窄相关的小叶和 8 个钙化肿块。将基于 SAPIEN XT 的 TAVI 装置与主动脉根部整合,并生成高质量的网格模型。 图1:钙化肿块、主动脉根壁和主动脉小叶 然后在 ABAQUS 中模拟该装置的心动周期,重复 8 次,每次装置都相对原生瓣膜处于不同的旋转方向。装置的方向由原生小叶与假体小叶间的夹角定义,模拟的角度 θ 分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和105°。 图2:TAVI 装置小叶(蓝色)相对于原生小叶(黑色)的旋转角度(绿色) 图3:完整 SAPIEN XT 和 NovaFlexþ 输送装置的计算模型 主动脉根部、主动脉、左心室流出道(LVOT)和原生小叶的密度为 1.1 g/cm3,瑞利阻尼系数为 α=800(β=0)。假设钙化肿块的密度为 2g […]

【Simpleware教程】壁厚分析

Posted · Add Comment

在 Simpleware ScanIP 中可以使用壁厚工具对获得的掩膜或面模型进行厚度统计和 3D 可视化厚度分布。本教程将向您展示如何利用壁厚工具研究大脑皮层预分割区域的神经解剖学皮层厚度,该指标被认为与认知能力相关,可用于阿尔茨海默病等脑部疾病的诊断。 本教程所用数据文件路径 C:\Program Files\Synopsys\Simpleware\U-2022.12\Data\WallThickness 1. 生成表面渲染 点击File — Open 打开 CerebralCortex.sip 项目文件。 壁厚工具是使用 3D 视图中对象的三角曲面渲染计算和展示厚度分布。 确认 Dataset browser 下的 Grey matter 掩膜为可见状态。点击 3D preview — Model Setup — Setup model,打开 Model configuration 对话框。在 General 标签,选择 Binarise before smoothing 模式,勾选 Use smart mask smoothing,其他保持默认。在 Surface settings 标签,勾选 Use triangle smoothing for masks,设置 […]

基于三维数字模型的碳酸盐岩绝对渗透率的数值模拟与评估

Posted · Add Comment

概述 盐下碳酸盐岩储层复杂的孔隙结构通常表现出多尺度非均质性,给理解流体流动动力学和生产优化带来巨大挑战。与岩心实验分析相结合的数字岩石物理技术已被广泛应用于研究和计算孔隙结构的物理性质和流体流动特征。本项目采用由 micro-CT 高分辨率图像获得的岩石多孔介质 3D 模型进行单相数值模拟,计算和评估盐下碳酸盐岩的绝对渗透率。 亮点 在 Simpleware 软件中基于 micro-CT 图像数据创建碳酸盐岩的三维模型并生成高质量的网格模型在 COMSOL 中进行单相流体流动模拟与实验常规岩心分析比较,评估预测的绝对渗透率 创建模型 碳酸盐岩样品来自巴西东北部的贝壳灰岩储层,是由沉积在高能湖相环境中的双壳类组成的颗粒岩,受多个成岩阶段的影响,形成了一个复杂的孔隙系统。选择三个露头岩心样品(PET-01、PET-02 和 PET-04))进行扫描,在 Simpleware 软件中重建岩石多孔介质的三维模型并生成网格模型,用于进一步的仿真。 图1:样品 PET-04(a)碳酸盐岩多孔介质三维模型创建过程(b)四面体网格模型 模拟 考虑到非均匀性和较高的计算成本,为减少网格模型中四面体单元的数量,进而缩减数值解收敛所需的计算量,本研究采用较为粗糙的网格。在 Simpleware 软件中对每个样品的不同感兴趣区域(ROI)在 0.6 到 4.9 cm3 范围内基于图像数据生成四面体网格。总孔隙度由孔隙系统体积和 ROI 在总体占比间的关系估算,有效孔隙率也通过选择连通孔隙结构的体积做类似推算。 图2:样品 PET-01 不同 ROI 基于图像生成的粗糙网格 为比较评价生成的网格,使用 Comsol 软件在多孔介质模型中进行单相流体流动的数值模拟,以收敛所需时间作为参考。假设流域场中的所有应变都与多孔介质有关,孔隙系统中的流体(液态水)具有恒定的温度和密度(模拟单相流体)、层流(斯托克斯流或蠕动流),并进行静态分析。数值模拟所需计算成本直接取决于 ROI 的自由度(DOF)和计算机硬件,考虑了阈值的变化和 ROI 体积,对预测的绝对渗透率进行评估。 结果 网格生成的预估时间与自定义精细化程度和 3D 模型结构的复杂性有关。对样品 PET-04 的 ROI 进行网格灵敏度研究。生成的粗糙网格包含 1,643,296 个四面体单元,精细网格有 7393,717 […]

通过结构设计缓解锂离子电池阳极膨胀引起的力学退化

Posted · Add Comment

概述 弯曲薄膜和涂层的体积膨胀力学在包括生物医学植入物涂层、热/环境障涂层以及电化学储能系统在内的各种技术中都发挥着至关重要的作用。每次的充电周期中,锂离子电池的硅阳极内可能会经历大量的活性物质膨胀,体积变化可以达到 300%,从而导致开裂、分层,从而严重降低性能。 缓解由持续膨胀和收缩引起力学退化的方法主要集中在复合电极配方的设计和开发、减小活性材料的尺寸和控制整体电极微观结构。在本研究中,使用有限元分析模拟硅包覆在 Spinodal、Gyroid、Inverse Opal、和 Schwartz P. 四种不同结构形态镍骨架上锂化过程中的体积膨胀,探索骨架结构对膨胀过程中力学退化的影响。 亮点 设计四种不同结构形态的复合电极使用 Simpleware 和 Abaqus 软件进行有限元分析探索骨架形态对膨胀过程中力学退化的影响 创建结构 设计四种不同的结构形态 Spinodal、Gyroid、Schwartz P. 和 Inverse Opal(IO)。其中 Spinodal 和 IO 可以通过合成路线制作,因此是研究的重点。Gyroid 和 Schwartz P. 则是理想化的数学定义表面,主要用于解释可缩放模型的形态特征如何影响膨胀过程中的力学响应。 通过方程构建 Spinodal 结构,将生成的体积分割成一组 2D 图像,导入 Simpleware ScanIP 并转换为 Spinodal 壳结构。在 ScanIP 中利用隐式方程创建 Gyroid 和 Schwartz P. 的原始形态壳结构,并为壳体每侧添加 1 μm 厚的Ni 涂层生成最小表面形态的 Ni 骨架,总厚度为 2 μm。Inverse Opal […]

通过3D打印支架的结构设计调控新生骨的体积和功能性

Posted · Add Comment

概述 由创伤、感染引起的临界尺寸骨缺损主要通过同种异体移植和自体移植进行治疗,但这种方案受限于供体部位发病率、感染和疾病传播风险以及有限的骨组织来源。因此,在临界尺寸缺陷中成功再生功能性骨组织仍然是一项重大的临床挑战。近年来,虽然合成的人工骨支架已得到广泛开发,但由于其在体内表现性能不佳,很少能转化为临床应用。本项目旨在系统地了解 3D 打印骨支架的结构设计,如何影响体内临界尺寸骨缺损治疗中新生骨的体积和功能性,以及如何优化以进一步改善结果。 亮点 设计 4 种不同的人工骨支架结构,探索孔径和渗透率对新生骨的影响;在 Simpleware 软件中处理 µCT 图像数据重建三维模型并生成高质量的体积网格;在 ABAQUS 软件中进行仿真,计算渗透率和有效刚度。 工作流程 设计 4 种连通性(100%)相同和孔隙率(≈49.3 ± 1.9%)相似(因工艺原因无法做到完全相同)的不同结构,采用 3D 打印技术为每种结构制作 6 个相同的支架。材料选用生物陶瓷材料 Sr-HT-Gahnite,包含掺锶的锌黄长石(Ca2ZnSi2O7)和锌尖晶石(ZnAl2O4)。这种材料在相当低的温度下仍具有出色的可烧结性,因此可以形成不存在微孔的微观结构。而且它的降解速率较低,可最大限度地减少支架对骨形成的化学影响。 将制备的支架切割成直径 10 mm、高 3 mm的圆盘状结构,使用 SkyScan 1172 扫描获得 µCT 图像数据,导入 Simpleware 软件进行图像处理,裁剪为特定形状用于结构分析。在 Simpleware FE 模块生成高质量的四面体网格模型,导出至 ABAQUS 计算渗透率、有效刚度和断裂强度。然后将支架压入兔颅骨中相同尺寸的骨缺损中,12 周时再次扫描并重建模型,确定每种结构的骨长入量,估算可表明机械稳定性的有效刚度判断新生骨的功能性。 不同排列结构的支架 四种结构的支架具有相同的连通性和近似的孔隙率,不同之处在于孔径和渗透率。结构 A 为对照组;结构 B:与 A 孔径不同,渗透率相近;结构 C:与 A 孔径相同,渗透率 A 是 […]

心室心肌的高保真三维微观力学模型

Posted · Add Comment

概述 肺动脉高压(PAH)等心脏疾病会造成心脏组织结构和力学行为发生实质性改变。PAH 使心脏右心室(RV)长期压力超负荷,右心室最初通过肌纤维肥大增厚以减轻壁应力的增加,但随后扩张并失去收缩功能,导致右心室衰竭。有研究表明,压力超负荷导致的右心室重构是右心室功能不良预后的主要预测因素之一。因此,量化右心室的力学状态,通过开发计算模型更好地了解 PAH 引起重塑的发生、发展和潜在可逆性的影响因素十分必要。 通过心脏的多尺度计算建模,将细胞尺度与组织尺度行为联系起来,可以提高对心脏重塑的理解,并更好地确定治疗靶点。本研究结合共聚焦显微镜技术、软组织力学和有限元建模,开发了一种高保真的心室心肌微观解剖学仿真模型。 亮点 基于兔心肌的高分辨率 3D 成像数据创建三维模型在Simpleware FE 中生成高质量的网格模型在 FEniCS 软件中进行有限元分析 图像处理 取直径为 5mm 的新西兰大白兔左心室心肌样本,冷冻 100 μm 厚的切片,标记切片并在 Fluoromount-G 内密封使其不受压。通过激光扫描共聚焦显微镜获得三维图像堆栈,成像组织体积为 204 × 204 × 60 μm。 采用分水岭算法和基于直方图的阈值分割半自动方法对三维组织结构进行分割和重建。为简化初始有限元模型的开发,将肌细胞连接并组合成“肌纤维”相,而不是单个肌细胞。冠状血管、成纤维细胞和细胞外空间被合并成“细胞外基质(ECM)”或“胶原”相,消除模型域中的空洞。在 Simpleware ScanIP 中利用 Island removal 去除孤岛,使用 Recursive Gaussian 滤波器平滑。在 Simpleware FE 模块中生成由约 110 万个线性四面体单元组成的体积网格。经过图像处理后,肌细胞的方向与 e1 轴对齐,交叉纤维方向与 e2 轴对齐。 图1:左图依次为心肌细胞、冠状动脉血管、成纤维细胞、细胞外空间。中图:肌细胞组成肌纤维相(红色),放大突出显示的为代表性肌细胞;冠状动脉血管、成纤维细胞和细胞外空间合并为细胞外基质相(灰色)。右图:FE 模型横截面展示肌纤维单元嵌入在 ECM单元中。 模拟 单层仿真 基于结构的模型最初是为了具有更分散纤维分布的组织尺度肌纤维/胶原蛋白/相互作用应力而开发。因此,作为微观解剖模型的拟合目标,使用微观解剖有限元几何高度对齐的结构和基于结构的模型模拟应力应变响应。在开源软件 FEniCS 中不同双轴应变配置 E11:E22 = 0.30:0.30、0.30:0.15 和 0.15:0.30 下,对模型的边界表面施加变形。 […]

SimpleWare教程:纤维分析

Posted · Add Comment

Simpleware 软件中包含许多有助于分析纤维数据的工具,主要用于理解取向分布和计算各种统计数据。本教程将展示无需单独进行图像分割的纤维分析核心功能。 数据来源:Simpleware 软件数据文件夹 FibreOrientation 1. 背景图像中心线 1.1 准备数据 打开 Fibres.sip 项目文件,3D 视图自动生成体积渲染模型 图1:Simpleware ScanIP 中生成的纤维材料体积渲染模型 1.2 由背景图像生成中心线 打开 Measurements — Centrelines — Create centrelines 工具,确认 Input 是 Active background (Fibres),设置捕捉纤维中心的阈值范围为 128-255。(对于中空纤维,可能需要一些前处理,例如使用 Laplacian of Gaussian 滤波器。)通过计算穿过单个纤维的体素乘以体素间距设置接近于纤维直径的 Feature diameter (mm) 参数。针对本例数据,该值设为 0.03。勾选 Isolated lines (fibres),显示 Pruning sensitivity、Joining angle threshold 和 Remove short lines 的设置选项,保持默认即可。依次点击 Create 和 OK。放大 3D […]

芯片粘装用瞬时液相烧结铜-焊料-树脂微观结构的变形行为

Posted · Add Comment

概述 混合动力电动汽车和其他电力电子系统的快速发展增加了对功率模块中高可靠性键合技术的需求,电源模块要在高功率和高频率下运行,且具备高度集成性和小型化的特点。下一代半导体材料碳化硅(SiC)能够代替传统材料提供更低的功率损耗、更高的开关速度和工作温度。粘合层也暴露在很高的温度下,因此也应该提高接头的性能指标和可靠性。 本项目提出了一种利用 Cu 颗粒与 Sn 基焊料瞬时液相烧结(TLPS)的低温结合技术作为高温功率模块的贴片解决方案。铜-金属间化合物-树脂(Cu-IMC-resin)的微观结构由 Cu 颗粒与部分填充有聚酰亚胺树脂的 Cu-Sn 金属间化合物(IMCs)连接而成,采用新型铜-焊料-树脂复合材料作为氮气气氛中的接合材料通过 250℃ 下 1 分钟的无压 TLPS 工艺获得。然后利用三维图像重建模型的有限元分析评估 Cu-IMC-resin 独特微观结构的宏观和微观变形特性。 亮点 采用Cu 颗粒与 Sn 基焊料瞬时液相烧结(TLPS)的低温键合技术在 Simpleware 中处理Cu-IMC-resin的图像数据并生成高质量的网格模型在 ANSYS Workbench 中模拟微观结构的宏观和微观变形特性 图像获取 Cu-焊料-树脂复合材料是一种含有 Cu 颗粒、Sn-3Ag-0.5Cu(SAC305)焊料颗粒和聚酰亚胺(PI)热固性树脂的糊状物。Cu 颗粒和焊料颗粒的尺寸分别约为 10 µm和 3 µm,铜的重量百分比含量大约是焊料的三倍。使用 Cu-焊料-树脂复合材料将 SiC 芯片键合到直接键合铜(DBC)基板上,芯片尺寸约为 8 × 8 × 0.3 mm,表面镀有 Ni/Au 金属。DBC 基板由两个连接到 0.6 mm厚氮化硅(Si3N4)基板上的 0.3 mm铜电极组成。在氮气气氛中使用无压回流工艺在 100℃ 下预热 […]

 
  • 标签

  • 关于费米科技

    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨,致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术,为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点,已经服务于众多的学术和工业用户。

    欢迎加入我们!(点击链接)

  • 最近更新

  • 联系方式

    • 留言板点击留言
    • 邮箱:sales_at_fermitech.com.cn
    • 电话:010-80393990
    • QQ: 1732167264
  • 订阅费米科技新闻

    • 邮件订阅:
      您可以使用常用的邮件地址接收费米科技定期发送的产品更新和新闻。
      点击这里马上订阅
    • 微信订阅:
      微信扫描右侧二维码。
  •