孔隙結(jié)構(gòu)
關(guān)注創(chuàng)建者：嘀嗒小石頭 創(chuàng)建時(shí)間：2018-12-04
孔隙結(jié)構(gòu)的視頻教程
流體力學(xué)遇見深度學(xué)習(xí)：揭示微觀流動(dòng)背后的智能力量
物理引導(dǎo)建模 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）在滲流模擬中的案例介紹 Physics-Informed Neural Networks (PINNs) 基本原理與結(jié)構(gòu)解析 在多孔介質(zhì)滲流與裂縫流動(dòng)中的應(yīng)用舉例 微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建與圖像處理方法 從CT圖像/圖像生成重建孔隙結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)集構(gòu)建與預(yù)處理方法 案例分析與實(shí)操分享 AI輔助頁(yè)巖氣孔隙流模擬 智能建模在碳封存與地?zé)嶂械膽?yīng)用前景
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孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)例教程
ANSYS對(duì)三維梯度孔隙結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析具有重要研究意義。其高精度建模揭示孔隙率梯度分布、幾何特征對(duì)彈性模量、強(qiáng)度及斷裂韌性的影響機(jī)制，量化應(yīng)力集中與失效風(fēng)險(xiǎn)，為航空航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐與方法創(chuàng)新。本案例介紹在ANSYS內(nèi)對(duì)功能梯度孔隙材料（FGM）的受壓模擬。
梯度孔隙3D模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建模，AutoCAD參數(shù)化建模完成后將多孔結(jié)構(gòu)梯度模型導(dǎo)出為sat格式文件。
在ANSYS Workbench內(nèi)選擇與研究相適應(yīng)的分析系統(tǒng)，并在幾何結(jié)構(gòu)下導(dǎo)入梯度孔隙幾何模型。
對(duì)模型劃分網(wǎng)格并在分析設(shè)置中添加受壓荷載。
求解并查看計(jì)算結(jié)果。
展開 孔隙結(jié)構(gòu)
在comsol內(nèi)生成球體或立方體結(jié)構(gòu)的多孔材料結(jié)構(gòu)：
comsol泡沫結(jié)構(gòu)，泡沫球體顆粒占比80%：
建模方法
采用陣列式隨機(jī)分布，生成符合規(guī)定比例的隨機(jī)孔洞。模型采用CAD隨機(jī)孔隙3D插件生成，然后將多孔結(jié)構(gòu)3D模型導(dǎo)入到comsol軟件內(nèi)。
插件鏈接
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1890691
雖然水凝膠內(nèi)部也自帶孔隙結(jié)構(gòu)，但其孔隙過小，使得包裹細(xì)胞進(jìn)行三維培養(yǎng)及生物3D打印時(shí)內(nèi)部的養(yǎng)物質(zhì)傳輸及細(xì)胞代謝廢物排出不暢，致密的孔隙阻礙了細(xì)胞更好的功能化。為了提高水凝膠內(nèi)細(xì)胞與外界的物質(zhì)交換效率，并為細(xì)胞生長(zhǎng)增殖提供更多空間，EFL團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，成功研制出了高孔隙率GelMA水凝膠（多孔GelMA，EFL-GM-PR系列）。
獲得數(shù)十乃至數(shù)百微米孔隙結(jié)構(gòu)，常規(guī)做法是通過乳液造孔獲得，這些工藝存在穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。EFL-GM-PR系列通過材料學(xué)顛覆性的設(shè)計(jì)，其使用體驗(yàn)與常規(guī)GelMA材料無(wú)任何區(qū)別，只需要溶解、光照固化即可輕松獲得數(shù)百微米孔隙結(jié)構(gòu)水凝膠（圖1）。
圖1 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠操作流程
01 微觀形貌
EFL-GM-PR系列具有幾微米至幾百微米的孔道結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同應(yīng)用需求。通常三維細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)需要50微米以上的孔隙結(jié)構(gòu)，大的孔隙結(jié)構(gòu)可為細(xì)胞提供高效的物質(zhì)交換通道，也為細(xì)胞增殖、生長(zhǎng)提供空間，能顯著提高細(xì)胞的增殖活性。
通過通用偶聯(lián)型水凝膠熒光染料（EFL-DYE-UF-ENE系列）的熒光標(biāo)記，可實(shí)現(xiàn)多孔GelMA水凝膠內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的直觀觀察（圖2）。
圖2 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠可控微觀孔道結(jié)構(gòu)的激光共聚焦照片
02 細(xì)胞培養(yǎng)
EFL-GM-PR系列多孔水凝膠在細(xì)胞培養(yǎng)方面具有優(yōu)異的性能，通過與GelMA無(wú)孔水凝膠對(duì)比可以明顯看出多孔GelMA水凝膠的優(yōu)勢(shì)。兩種配方的多孔GelMA水凝膠其內(nèi)部細(xì)胞增殖速率均高于GelMA無(wú)孔水凝膠，在培養(yǎng)第7天時(shí)出現(xiàn)了數(shù)倍的細(xì)胞數(shù)量差。
展開 泡沫金屬，亦稱多孔金屬，涵蓋了如泡沫鋁、泡沫鎳及泡沫鈦等多種類型，是一種具備三維連通孔隙結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工程材料。該材料融合了金屬與泡沫材料的特性優(yōu)勢(shì)，形成了獨(dú)特的物理和力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本案例旨在描述如何在COMSOL軟件中構(gòu)建具有連通孔隙結(jié)構(gòu)特征的三維泡沫金屬模型。
泡沫金屬的建模可通過CAD球體密堆積3D插件V2.0版本實(shí)現(xiàn)，其中為確保生成模型中孔隙的連通性，球體間的最小間距參數(shù)應(yīng)設(shè)定為負(fù)值。截取模型的內(nèi)部區(qū)域作為泡沫金屬模型。
在AutoCAD中將模型導(dǎo)出為SAT文件格式后，可導(dǎo)入COMSOL軟件中，以建立具有連通孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫金屬部件。
根據(jù)模擬需求，可對(duì)多孔結(jié)構(gòu)部件設(shè)定相應(yīng)的材料屬性。
此外，還需根據(jù)模擬要求完成網(wǎng)格劃分，以確保分析的精確性與計(jì)算效率。
展開 圖2 內(nèi)、外壓力的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)力及能量曲線的影響規(guī)律
綜上所述：涂層中復(fù)雜、不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)是造成熔體自發(fā)浸滲困難的主要因素之一。通過調(diào)節(jié)孔隙內(nèi)外壓力的方法能夠在一定程度上克服由孔隙擴(kuò)張結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性差引起的浸滲阻力，該方法應(yīng)用于調(diào)控熔體在復(fù)雜孔隙內(nèi)的浸滲深度具有熱力學(xué)可行性。
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孔隙結(jié)構(gòu)的最新內(nèi)容
通過對(duì)多孔球的建模可實(shí)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控，揭示傳質(zhì)-反應(yīng)耦合機(jī)制，優(yōu)化材料性能。仿真可預(yù)測(cè)流體動(dòng)力學(xué)行為及反應(yīng)效率，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，推動(dòng)多孔材料在環(huán)境、能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立多孔球結(jié)構(gòu)模型。
檢測(cè)過程
華南檢測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用工業(yè)CT檢測(cè)完成缸體全尺寸掃描，通過三維重建完整呈現(xiàn)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)定位孔隙的尺寸、分布位置與連通狀態(tài)，結(jié)合鑄造工藝參數(shù)完成缺陷成因分析。
項(xiàng)目成果
基于檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)客戶調(diào)整鑄造壓力與冷卻速率，最終批次產(chǎn)品缺陷率降低 70%，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體滲漏問題徹底解決，成品合格率大幅提升。
涂布完成后，電池需要經(jīng)過一個(gè)被稱為壓延（如上圖所示）的壓實(shí)過程，這對(duì)鋰離子電池的孔隙結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。通過使用Ansys Rocky顆粒動(dòng)力學(xué)仿真軟件，可以在壓延過程中查看微觀結(jié)構(gòu)級(jí)別的情況，并且與用于結(jié)構(gòu)工程的Ansys Mechanical有限元分析（FEA）軟件和Ansys LS-DYNA多物理場(chǎng)軟件結(jié)合使用時(shí)，還可以識(shí)別在此過程中壓縮導(dǎo)致的殘余應(yīng)變，尤其是存在缺陷時(shí)。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
極致黑度與低反射： 采用獨(dú)特的納米級(jí)孔隙與吸光結(jié)構(gòu)，能有效捕獲并耗散入射光線，將漫反射和鏡面反射降至極低水平，是目前已知最黑的人工材料之一。
卓越的穩(wěn)定性： 產(chǎn)品具備優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性及機(jī)械附著力，能在復(fù)雜苛刻的環(huán)境下（如高低溫、濕熱、震動(dòng)）長(zhǎng)期保持性能穩(wěn)定。
案例的幾何模型與流動(dòng)條件均經(jīng)過刻意簡(jiǎn)化，便于學(xué)習(xí)者輕松解讀和可視化拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)與孔隙率的演變過程。
本課程基于OpenFOAM v2412開發(fā)，所有演示內(nèi)容、算例文件及字典文件均與該版本完全兼容。學(xué)習(xí)者將直接操作 OpenFOAM 求解器、優(yōu)化字典及后處理工具，掌握靈敏度分析、外形優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)現(xiàn)配置方法。
ANSYS對(duì)三維梯度孔隙結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析具有重要研究意義。其高精度建模揭示孔隙率梯度分布、幾何特征對(duì)彈性模量、強(qiáng)度及斷裂韌性的影響機(jī)制，量化應(yīng)力集中與失效風(fēng)險(xiǎn)，為航空航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐與方法創(chuàng)新。本案例介紹在ANSYS內(nèi)對(duì)功能梯度孔隙材料（FGM）的受壓模擬。
三維梯度孔隙結(jié)構(gòu)模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型建立完成后將梯度孔基體部分導(dǎo)出為iges格式。
將梯度多孔結(jié)構(gòu)模型以部件的形式導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。
梯度孔隙結(jié)構(gòu)的研究可優(yōu)化傳熱傳質(zhì)效率，調(diào)控流動(dòng)路徑，提升能源存儲(chǔ)與材料性能，為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵理論支持。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立三維球體梯度孔隙結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行滲流仿真模擬。
梯度多孔介質(zhì)FGM模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型在AutoCAD內(nèi)建立完成后導(dǎo)出為sat格式文件。
插件可設(shè)置三組球體粒徑范圍，并可指定球體間的最小間距參數(shù)，可用于生成多種不同形態(tài)的梯度孔隙結(jié)構(gòu)模型。
使用須知
1、插件使用需注冊(cè)，售價(jià)為單機(jī)許可價(jià)格；
2、插件兼容Windows系統(tǒng)，運(yùn)行需要安裝AutoCAD（2010~2025及以上版本均可使用）。
: rgba(0, 0, 0, 0);">難點(diǎn)二：</strong>裂縫演化的“混沌預(yù)言”——多物理場(chǎng)耦合陷阱</p><p>CO?壓裂并非單純的流體驅(qū)動(dòng)裂縫問題，而是熱-流-固-化（THMC）四場(chǎng)耦合的混沌系統(tǒng)：</p><p>*熱場(chǎng)：CO?注入時(shí)的焦耳-湯姆遜效應(yīng)會(huì)引發(fā)近井地帶溫度驟降（可能達(dá)30℃），導(dǎo)致巖石脆性增強(qiáng)；</p><p>*化學(xué)場(chǎng)：CO?-地層水-頁(yè)巖的化學(xué)反應(yīng)（如碳酸鹽化）會(huì)動(dòng)態(tài)改變孔隙結(jié)構(gòu)和裂縫表面能
