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基于CT图像深度学习的三维编织C/C复合材料微观组分与缺陷智能识别

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复合材料学报 2024年第7期41卷 3536-3543页

作者：钱奇伟张昕杨贞军沈镇校金友武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 浙江大学建筑工程学院杭州310058 西安航天复合材料研究所西安710025 西北工业大学航天学院西安710072

首先采用微观X射线计算机断层扫描(Micro X-ray computed tomography,XCT)对4枚20 mm立方体三维编织碳/碳(Carbon fiber reinforced carbon,C/C)复合材料试件进行扫描,获得精度为18.27μm的内部微观结构图像;然后采用基于深度学习的语... 详细信息

首先采用微观X射线计算机断层扫描(Micro X-ray computed tomography,XCT)对4枚20 mm立方体三维编织碳/碳(Carbon fiber reinforced carbon,C/C)复合材料试件进行扫描,获得精度为18.27μm的内部微观结构图像;然后采用基于深度学习的语义分割算法,对大量二维XCT图像进行训练,实现对试件三维微观组分(碳棒、碳纤维束和基体)和缺陷(孔洞、分层和裂纹)的智能识别和分割。结果表明:(1)微观XCT扫描能够高精度表征三维编织C/C复合材料内部组分和缺陷的分布和形态,主要缺陷为相邻纤维束层之间的分层;(2)由于C/C复合材料各微观组分均为碳材料,在CT图像中灰度值相同(或十分接近),难以采用传统阈值算法进行分割;深度学习算法能够有效过滤噪声与伪影并自动精准分割各组分和缺陷,且预测速度比人工图像标注高约两个数量级。本文对三维编织C/C复合材料后续微细观建模和性能优化奠定了基础。

关键词： C/C复合材料微观X射线计算机断层扫描微观组分缺陷深度学习语义分割

基于广义剪应变的各向异性固结饱和砂土超静孔压发展模型

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岩土工程学报 2024年

作者：赵福堂吴祁新郑俊杰郑烨炜武汉大学土木建筑工程学院

各向异性固结条件下饱和砂土中超静孔隙水压力的发展规律对于理解砂土液化行为至关重要。本文使用空心圆柱扭剪仪进行了一系列扭剪试验，研究了初始固结条件(初始平均有效应力p’0，固结应力比K)和循环加载条件(循环应力比CSR)对饱和砂... 详细信息

各向异性固结条件下饱和砂土中超静孔隙水压力的发展规律对于理解砂土液化行为至关重要。本文使用空心圆柱扭剪仪进行了一系列扭剪试验，研究了初始固结条件(初始平均有效应力p’0，固结应力比K)和循环加载条件(循环应力比CSR)对饱和砂土的广义剪应变(γg)和超静孔压比(ru)发展规律的影响。试验结果表明，各向异性固结条件下的砂土表现出三类破坏模式：循环迁移、循环液化和残余累积变形。在所有三种破坏模式下，归一化超静孔压比(ru，n)都与γg相关。据此提出了考虑各向异性固结条件的饱和砂土超静孔隙水压力预测模型。该模型能合理预测不同固结应力状态下超孔隙水压力的发展。

关键词：饱和砂土各向异性固结液化超静孔压广义剪应变

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低碳超高性能混凝土单轴受压力学性能研究

长江科学院院报 2024年

作者：黄乐苏凯栋高奔浩池寅徐礼华武汉大学土木建筑工程学院

为解决超高性能混凝土水泥用量成倍增加带来的高碳排放问题，本文采用高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰等材料大掺量替代硅酸盐水泥，制备了一种低水泥含量的低碳超高性能混凝土（LC-UHPC）。考虑水泥替代率、钢纤维体积掺量和水胶比等3个因素... 详细信息

为解决超高性能混凝土水泥用量成倍增加带来的高碳排放问题，本文采用高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰等材料大掺量替代硅酸盐水泥，制备了一种低水泥含量的低碳超高性能混凝土（LC-UHPC）。考虑水泥替代率、钢纤维体积掺量和水胶比等3个因素，设计制作了11组共154个试件，通过不同龄期的立方体抗压试验、抗折试验与单轴受压试验研究了LC-UHPC破坏形态、基本强度与变形能力等力学性能的变化规律，并根据试验结果建立了单轴受压应力-应变全曲线数学方程。结果表明：LC-UHPC轴心受压破坏形态为剪切破坏，钢纤维掺入能明显改善LC-UHPC各项力学性能指标；与传统UHPC相比，LC-UHPC的水泥替代率最高可达70%，其28 天单轴抗压强度可达149.09 MPa；建立的轴心受压应力-应变曲线方程能够较好地预测LC-UHPC单轴受压下的力学响应全过程，可为LC-UHPC力学性能研究及其结构构件的设计计算提供有益参考。

关键词：低水泥含量超高性能混凝土单轴受压试验力学性能应力-应变关系

基于循环硬化模型的压气硐库围岩力学及变形分析

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：邓申缘姜清辉位伟武汉大学土木建筑工程学院

利用地下硐库进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。在研究压气硐库围岩在长期循环荷载作用下的力学及变形特征上，传统模型多采用基于Mohr-Coulumb屈服条件的弹塑性模型或统计损伤模型。然而，这些模型并未考虑到硐库内压... 详细信息

利用地下硐库进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。在研究压气硐库围岩在长期循环荷载作用下的力学及变形特征上，传统模型多采用基于Mohr-Coulumb屈服条件的弹塑性模型或统计损伤模型。然而，这些模型并未考虑到硐库内压低于疲劳阈值的情况。根据岩石疲劳实验过程中的力学特性，论证了硐库内压低于疲劳阈值时采用循环硬化模型计算围岩变形模量及位移变形的合理性，并以轴向残余应变为内变量推导了压气硐库围岩的循环硬化模型。在此基础上，研究了不同岩性岩石的疲劳参数对压气硐库围岩力学及变形特性的影响。并将现场实验的实测值与模型预测值进行了比较。结果表明循环硬化模型可以很好地预测压气硐库的围岩变形。

关键词：岩石力学压气硐库循环荷载残余应变硬化模型岩石疲劳参数

近场动力学水-热-力耦合模型与混凝土冻结破坏模拟

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工程力学 2024年

作者：张佳铭楚锡华余敏武汉大学土木建筑工程学院

低温环境下，作为多孔介质材料的混凝土内部孔隙水冻结会导致膨胀变形，从而诱发损伤甚至失效。为研究其冻结破坏过程和机理，本文应用近场动力学理论建立了能够描述混凝土冻结行为的积分形式的湿-热-力耦合模型，并发展了相应的多速率... 详细信息

低温环境下，作为多孔介质材料的混凝土内部孔隙水冻结会导致膨胀变形，从而诱发损伤甚至失效。为研究其冻结破坏过程和机理，本文应用近场动力学理论建立了能够描述混凝土冻结行为的积分形式的湿-热-力耦合模型，并发展了相应的多速率显式求解方案。三维混凝土试件的模拟结果表明温度以及孔隙水压力与有限元结果吻合良好。此外探究了渗透率对混凝土冻结过程中力学性能及破坏行为的影响，结果表明渗透率对混凝土结构抗冻融性能影响较大，渗透率较高时，孔隙水压力、结晶压力和冻结应变减小；且试件裂缝减少，整体损伤程度也相应降低。本文模型可为深入分析混凝土在冻融循环下的破坏过程和破坏机理奠定基础。

关键词：键基近场动力学混凝土冻结过程冻结应变破坏

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张力调控影响创口重塑的数值模拟研究

应用数学和力学 2024年第6期45卷 753-762页

作者：蔡威周子星张作启黄国友武汉大学土木建筑工程学院工程力学系武汉430072

组织重塑普遍存在于人体的组织和器官,与形态发生、伤口愈合、纤维化发展以及癌症的扩散与转移等密切相关.力学微环境在组织重塑过程中发挥重要作用,但是,目前张力调控影响创口重塑的规律仍不清.该文建立了细胞主动收缩引起组织重塑的... 详细信息

组织重塑普遍存在于人体的组织和器官,与形态发生、伤口愈合、纤维化发展以及癌症的扩散与转移等密切相关.力学微环境在组织重塑过程中发挥重要作用,但是,目前张力调控影响创口重塑的规律仍不清.该文建立了细胞主动收缩引起组织重塑的动态数理模型,并通过有限元方法模拟了不同预张力牵张组织中侧边和内部创口重塑的过程;进一步,基于该模型研究了张力调控对创口重塑的影响.结果表明,张力调控显著影响创口重塑过程,通过适当的减张作用可以有效降低创口重塑过程中的应力水平和创口大小.该研究有助于加深人们对于组织重塑过程中力学作用的理解,为从力学角度干预创口重塑过程提供了有用参考.

关键词：组织重塑伤口愈合有限元方法力学调控

陆地蜗牛壳和海蜗牛壳哪一种在机械设计上更胜一筹?

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医用生物力学 2024年第S1期 556-557页

作者：白旭锋张作启武汉大学土木建筑工程学院

目的具有交叉层状结构的软体动物壳由于其优异的机械性能而引起了广泛的关注。有趣的是,本研究的实验发现,陆地蜗牛(白玉蜗牛)壳具有三层交叉层状结构,而海螺(锡兰东风螺)壳则呈现两层交叉层状结构。方法它们为何不同,哪一种在机械设...

目的具有交叉层状结构的软体动物壳由于其优异的机械性能而引起了广泛的关注。有趣的是,本研究的实验发现,陆地蜗牛(白玉蜗牛)壳具有三层交叉层状结构,而海螺(锡兰东风螺)壳则呈现两层交叉层状结构。方法它们为何不同,哪一种在机械设计上更胜一筹?为了回答这些问题,通过扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕和三点弯曲测试对这两种壳的微观结构和微观/宏观力学性能进行了比较表征。结果和结论实验结果表明,海螺壳比陆地蜗牛壳表现出更好的机械性能,但更厚、更重。为了进一步阐明它们在机械设计方面的相对优势,通过有限元法(FEM)进行了计算机模拟实验,以比较三层和两层交叉层状设计的机械性能,排除宏观几何形状和成分材料的影响。令人惊讶的是,结果表明陆地蜗牛设计明显优于海蜗牛设计,尤其是在强度方面。对于陆地蜗牛和海洋蜗牛的生存环境不同,这可能源于陆地蜗牛追求更轻、更坚固的外壳以实现相对更快的运动的更高的生存和进化压力。这些发现不仅有助于了解陆地和海洋蜗牛壳微观结构设计的差异,而且为开发不同功能的仿生复合材料提供有用的提示。

关键词：

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基于纳米压痕试验的月球岩石力学性质分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第8期52卷 84-90页

作者：张怡恒高飞乔江美唐旭海武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学深圳研究院广东深圳518057

为探究月球岩石力学性质,基于微观岩石力学试验和精确矿物晶体模型,提出了适用于小尺寸、任意形状岩样的多尺度力学参数测试方法.结果表明:Northwest Africa 13788(NWA13788)月球陨石中主要矿物包括钙长石、培长石、富Si-Na-Ca-Mg玻璃... 详细信息

为探究月球岩石力学性质,基于微观岩石力学试验和精确矿物晶体模型,提出了适用于小尺寸、任意形状岩样的多尺度力学参数测试方法.结果表明:Northwest Africa 13788(NWA13788)月球陨石中主要矿物包括钙长石、培长石、富Si-Na-Ca-Mg玻璃、橄榄石、辉石和铬铁矿,其体积分数分别为63.04%,21.66%,5.63%,4.69%,3.93%和0.50%;各矿物的弹性模量分别为钙长石78.90 GPa、培长石84.67 GPa、富Si-Na-Ca-Mg玻璃94.04 GPa、橄榄石134.32 GPa、辉石138.80 GPa、铬铁矿140.54 GPa;通过建立精确矿物晶体模型,并进行单轴压缩模拟,求解得到NWA13788月球陨石的宏观弹性模量为(59.51±2.68)GPa.

关键词：行星岩土力学月球岩石陨石纳米压痕跨尺度

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城市雨水深隧系统多目标优化设计及运行

中国给水排水 2024年第9期40卷 129-136页

作者：李江云张选庆胡子欣武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

如何将城市雨水深隧系统和浅层雨水系统相结合,以充分发挥雨水深隧系统防洪排涝、削减初雨污染等作用,对于建设城市深隧系统意义重大。通过构建深隧系统与浅层管网耦合模型,以溢流总量、建设成本、抽排费用为目标函数,以闸门控制和深隧... 详细信息

如何将城市雨水深隧系统和浅层雨水系统相结合,以充分发挥雨水深隧系统防洪排涝、削减初雨污染等作用,对于建设城市深隧系统意义重大。通过构建深隧系统与浅层管网耦合模型,以溢流总量、建设成本、抽排费用为目标函数,以闸门控制和深隧管径为优化变量,将罚函数与内涝风险相关联,建立基于NSGA-Ⅱ算法的雨洪深隧系统多目标优化模型,研究在满足水文水力、内涝风险及经济运行各项指标下的雨洪深隧设计和运行方案。以武汉市某排水区为例,利用基于GIS的快速建模及率定方法,建立浅层与深隧排水系统的耦合模型,采用NSGA-Ⅱ算法编程调用SWMM进行方案模拟及优化。结果表明,通过调整深隧直径、入流闸门调度,在满足经济性指标的前提下,可减少溢流节点、缩短内涝时间。

关键词：雨水深隧系统雨水管网多目标优化数值模拟遗传算法