CT扫描与多尺度力学建模的交叉研究
具有隐藏球形孔的脆性材料的断裂行为：物理实验和数值模拟
要点精读：
岩石和混凝土等脆性材料在隧道、斜坡、地下空间以及水利水电设施的建设中非常重要。在地质条件作用下，岩石和类岩石材料内部可能存在不同形状和大小的孔洞、空洞和其他缺陷。此外，在外部载荷的影响下，裂纹往往会在孔洞周围萌生和扩展，这对工程稳定性有直接影响。因此，研究孔洞脆性材料的断裂行为，对于保证工程结构的稳定性和安全性具有重要的理论意义。在本研究中，提出了一种利用发泡聚苯乙烯（EPS）球的高温退役位置制备具有隐藏球形孔的水泥砂浆样品的新方法。基于单轴压缩试验、数值模拟、计算机断层扫描（CT）成像和三维重建技术，从多个角度研究了球形孔对样品力学性能、应力环境、裂缝发育和最终裂缝表面的影响。
主要结论：
具有通孔和隐藏球形孔的样品的加载过程包括以下阶段：微观缺陷压实、线弹性变形、裂纹萌生和扩展以及峰后失效。不同类型的孔导致样品的峰值强度和弹性模量的不同程度的劣化；
两种样品中孔周围的应力环境明显不同。此外，一个样品中隐藏球形孔周围的应力集中小于另一个样品的通孔周围的应力集中；
比较分析了两种样品的裂纹萌生和扩展特性的显著差异。通孔试样的内部裂纹和表面裂纹的萌生和扩展路径高度一致，内部裂纹在矩形断面上扩展。相反，具有隐藏球形孔的样品内部和表面裂纹的萌生和扩展是不同的；内部裂纹的扩展具有3D形状。
图：具有隐藏球形孔的样品的制备方法。
图：样品制备流程图：（a）模具组装；（b） EPS定球；（c） 铁丝去除；（d） 脱模；（e） 固化；和（f）烘焙。
图：物理测试、CT重建和数值模拟过程的失效模式：（a）a类；（b） b类。
文二：
基于X射线微计算机断层成像的颗粒内气体行为数值模拟
要点精读：
高炉煤气的优化利用和能源的充分利用在工业生产中具有重要意义。从本质上讲，这需要掌握含铁相的还原规律，并对高炉操作进行精炼，以提高其还原效率。球团通常用作高炉的铁炉料，其还原过程涉及传热、传质和一系列复杂的化学反应。
在本项中，使用计算流体力学（CFD）和CT三维重建技术对商业颗粒层析成像图像进行了重建和数值模拟。为了准确反映球团复杂的孔隙结构，创新性地采用了表面网格模型来代替传统的计算机辅助设计（CAD）模型。此外，还研究了不同入口气体流速下颗粒内气体速度、压力和物种的分布。最后，研究证明了这些参数在球团内部的各向异性分布。
主要结论：
与传统的CAD模型相比，表面网格模型更适合于复杂的颗粒模型，它不仅提供了丰富的模型细节，而且减少了数据。
曲率效应显著影响了颗粒内部的气体速度，这是由于颗粒的不规则形状造成的。速度的各向异性是由孔隙大小和位置的变化引起的。
与其他位置相比，包括伯努利效应和分离流在内的多种因素有助于降低颗粒向风侧的压力。迎风面和背风面之间的压力梯度随着入口流速的增加而增加，并达到4.2Pa的最大值。
复杂的孔隙结构对颗粒内的密度分布和物种分布产生了显著影响，而对压力分布的影响可以忽略不计。
图：微型 CT 机的组成及工作原理。
图：重建的三维模型。（a） 球团模型；（b） Pores模型；（c） 优化球团模型；（d） 优化的孔隙模型。
图：颗粒内部的压力分布。（a） 入口速度为0.1m/s；（b） 入口速度为2.0 m/s；（c） 入口速度为4.0 m/s；（d） 入口速度为6.0m/s。
文三：
基于显微CT和XRD技术的微观结构和矿物成分分析的混凝土强度数值模拟
要点精读：
混凝土表现出材料的异质性，力学性能变化显著，其力学和损伤失效规律复杂。内部材料特性，包括水泥砂浆配合比、粗骨料的形状和尺寸比，以及孔隙、微裂纹和缺陷的存在，对宏观力学行为（如损伤、开裂和坍塌）产生决定性影响。
传统的宏观力学测试方法由于破坏性的实验条件、耗时的实验流程以及无法表征内部结构而受到限制。为了克服这些局限性，研究人员将微观因素与微型CT和模拟模型结合起来，展开了一系列的数值模拟。
主要结论：
通过采用图像识别技术并利用FDEM方法，它有效地解决了混凝土骨料、水泥和界面接触区域的特征。通过与实验室强度试验和设计强度的比较，模拟混凝土强度结果显示出良好的一致性。
通过整合矿物成分分析和建立参数折减系数来解决多相混凝土中力学参数的分配问题。这种改进的方法减少了参数校准过程中与劳动密集型校准任务相关的复杂性，从而简化了参数分配过程。
混凝土微观结构和矿物成分的变化对其抗压强度有很大影响。在相同条件下，混凝土强度随着粗骨料比例的增加而增加，随着孔隙率的增加而降低，随着石英和碳酸盐等高性能矿物含量的增加而逐渐增加。
图：混凝土试件A1的变形破坏过程。
图：混凝土验证试样的灰度图像和2D建模截面。
文四：
冠状动脉血流动力学和生物力学的患者专用数值模拟：临床应用途径
要点精读：
本文通过增加流体-结构相互作用（FSI）方法，使得模拟冠状动脉行为的数值模型得到了极大的改进。通过使用计算机断层扫描血管造影（CTA）、磁共振成像（MRI）、光学相干断层扫描（OCT）和血管内超声（IVUS）等成像模式来重建动脉几何形状的精确2D和3D表示，对患者特定病例的数值模拟得到了极大的支持。本研究的目的是对冠状动脉的CFD和FSI模型进行全面综述，并评估其转化潜力。
主要结论：
回顾了最近使用CFD和FSI模型描述与动脉粥样硬化相关的生物力学条件的冠状动脉患者特异性数值模拟的工作。还讨论了几何选择的成像方式和临床应用。
使用CFD和FSI方法的数值模型通常用于研究血管内的生物力学。在高时间和空间分辨率下（与大多数心脏成像模式相比），这些数值模型可以生成大量生物力学数据。
生理相关的FSI模型可以更准确地描述动脉粥样硬化的发病机制，并有助于将生物力学评估转化为临床评估。
图：将非侵入性患者特异性建模和数据库纳入临床实践的拟议工作流程。
文五：
基于CT图像的聚丙烯腈纤维增强透水混凝土单轴压缩简化数值模拟
要点精读：
透水混凝土是一种环境轻质混凝土，通常由水泥、骨料、水和添加剂配制而成。透水混凝土由于其独特的透水特性，在城市建设的绿色工程中得到了广泛的应用，以缓解城市内涝问题。
本文在计算机断层扫描（CT）图像生成的三维细观结构模型中，将丙烯腈纤维增强透水混凝土（PANFRPC）视为由骨料、砂浆（内含纤维）、界面过渡区（ITZ）和孔隙组成。基于CT图像生成了具有真实空间结构特性的PANFRPC简化三维真实重构模型。采用有限元方法模拟了单轴压缩过程。
主要结论：
提出了一种PANFRPC三维细观结构模型的重建与仿真方法，包括从CT图像中提取成分、在砂浆中简化PANF以及有限元法的应用。
模拟和实验结果的应变-应力曲线和宏观裂纹对比表明，该模型与实际试件具有相似的力学性能。该模型可用于模拟单轴压缩过程的弹性阶段，并预测强度，误差小于15%。
该模型的裂纹发展表明，由于应力集中和大变形，孔隙壁和ITZ都最初产生宏观裂纹和细观裂纹。初始裂纹逐渐向主裂纹区发展，形成沿荷载方向的垂直裂纹和45度角的x形剪切裂纹。该模型的破裂模式与实验结果一致，验证了本文提出的数值模型构建方法的准确性和可靠性。
图：钢筋材料。
图：应用于PANFRPC标本的CT扫描过程。
图：PANFRPC试样微观结构的提取过程。
图：PANFRPC试件在单轴压缩下的宏观裂纹发展。
图：细观结构中裂纹
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计算机技术在科学&技术&工程&数学中得到了广泛的应用，力学方面，计算机技术成为了科学的第四次革命性技术，现在基于计算机的数据科学已经逐步成为力学等其他科学发现的第四范式。人工智能、大数据、数字孪生等概念已经逐步成为当今时代的主题。智能制造、智能算法、数据驱动力学、大语言模型、自动驾驶在当今社会展现出巨大潜力，吸引了大量的研究人员。同时高性能显卡和多核中央处理器的出现为大规模数值模型的高性能计算提供了强大算力。然而因为该领域的论文较多，涉及内容较广，需要的知识量较大，不仅需要力学，数学，物理的知识，还需要计算机、数据科学、大数据分析的知识。
