Name: Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Scopri la microtomografia a raggi X per analizzare il comportamento meccanico dei suoli granulari a scala dei grani. Questo metodo avanzato permette di studiare morfologia, rottura e rotazione delle particelle durante la deformazione.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Questo studio è stato sostenuto dal Fondo generale di ricerca n. CityU 11213517 del Research Grant Council del SAR di Hong Kong, Research Grant n. 51779213 della National Science Foundation of China e la trave BL13W dello Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Le tecniche avanzate di elaborazione e analisi delle immagini hanno permesso l'analisi sperimentale del comportamento meccanico dei suoli granulari sotto taglio a livelli multiscala (cioè su macroscala, meso-scala e livelli di scala del grano). Tuttavia, le indagini su meso e su scala di grano basate su immagini CT richiedono l'acquisizione di immagini CT ad alta risoluzione spaziale di campioni di suolo durante il caricamento. L'aspetto più impegnativo di questo processo è forse la fabbricazione di un apparato di carico...

È ampiamente riconosciuto che le proprietà meccaniche su macroscala del suolo granulare, come rigidità, resistenza all'taglio e permeabilità, sono fondamentali per molte strutture geotecniche, ad esempio fondazioni, pendenze e dighe di riempimento delle rocce. Per molti anni, sono stati utilizzati test in loco e test di laboratorio convenzionali (ad esempio, test di compressione unidimensionali, test di compressione triassiale e test di permeabilità) per valutare queste proprietà in terreni diversi. Sono stati sviluppati anche codici e standard per testare le proprietà meccaniche del suolo per scopi ingegneristici. Sebbene queste proprietà meccaniche su macroscala siano state studiate intensamente, il comportamento meccanico su scala del grano (ad esempio, la cinematica delle particelle, l'interazione di contatto e la localizzazione della deformazione) che governa queste proprietà ha attirato molta meno attenzione ingegneri e ricercatori. Uno dei motivi è la mancanza di metodi sperimentali efficaci disponibili per esplorare il comportamento meccanico su scala di grano dei suoli.
Fino ad ora, la maggior parte della comprensione del comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari è venuto dalla modellazione di elementi discreti1 (DEM), a causa della sua capacità di estrarre informazioni su scala di particelle (ad esempio, la cinematica delle particelle e il contatto con le particelle forze) ). Negli studi precedenti sull'utilizzo delle tecniche DEM per modellare i comportamenti meccanici granulari del suolo, ogni singola particella era semplicemente rappresentata da un singolo cerchio o sfera nel modello. L'uso di tali forme di particelle troppo semplificate ha portato alla sovrarotazione delle particelle e quindi a un comportamento di forza del picco inferiore2. Per ottenere migliori prestazioni di modellazione, molti ricercatori hanno utilizzato un modello di resistenza al rotolamento3,4,5,6 o particelle irregolari forme7,8, 9,10,11,12 nelle loro simulazioni DEM. Di conseguenza, è stata acquisita una comprensione più realistica del comportamento cinematico delle particelle. Oltre alla cinematica delle particelle, il DEM è stato sempre più utilizzato per studiare l'interazione di contatto con il grano e per sviluppare modelli teorici. Tuttavia, a causa della necessità di riprodurre forme di particelle reali e l'uso di modelli di contatto sofisticati, DEM richiede capacità computazionali estremamente elevate nella modellazione di terreni granulari con forme irregolari.
Recentemente, lo sviluppo di apparecchiature ottiche e tecniche di imaging (ad esempio, il microscopio, la tomografia con supporto al laser, la tomografia computerizzata a raggi X (TC) e la microtografia a raggi X comportamento meccanico su scala a grana dei suoli granulari. Attraverso l'acquisizione e l'analisi di immagini campione di suolo prima e dopo i test triassiali, tali attrezzature e tecniche sono state utilizzate nello studio delle microstrutture del suolo13,14,15,16 ,17,18,19. Più di recente, i test in situ con TC a raggi X o cCT sono stati sempre più utilizzati per studiare l'evoluzione del rapporto di vuoto20, distribuzione di deformazione21,22,23,24, movimento delle particelle25,26,27,28, contatto interparticelle29,30,31 e particelle che schiacciano32 di terreni granulari. Qui, "in situ" implica la scansione a raggi X condotta contemporaneamente al caricamento. A differenza della scansione generale a raggi X, i test di scansione a raggi X in situ richiedono un apparato di carico appositamente fabbricato per fornire sollecitazioni ai campioni del suolo. Con l'uso combinato dell'apparato di carico e del dispositivo a raggi X CT o TC, le immagini TC dei campioni nelle diverse fasi di caricamento dei test possono essere acquisite in modo non distruttivo. Sulla base di queste immagini CT, è possibile acquisire osservazioni su scala di particelle del comportamento granulare del suolo. Queste osservazioni a livello di particelle basate su immagini CT sono estremamente utili per verificare i risultati numerici e per ottenere nuove informazioni sul comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari.
Questo articolo ha lo scopo di condividere i dettagli di come un test di scansione a raggi X in situ di un campione di suolo può essere effettuato, utilizzando un esperimento esemplare che osserva la cinematica delle particelle, la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle all'interno di un campione di suolo. I risultati mostrano che i test di scansione a raggi X in situ hanno un grande potenziale per esplorare il comportamento a livello di grano dei suoli granulari. Il protocollo riguarda la scelta del dispositivo a raggi X CT e la preparazione di un apparato di carico triaxiale in miniatura, nonché procedure dettagliate per eseguire il test. Inoltre, i passaggi tecnici per l'utilizzo dell'elaborazione e dell'analisi delle immagini per quantificare la cinematica delle particelle (ad esempio, la traslazione delle particelle e la rotazione delle particelle), la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle (ad es. guadagno di contatto, perdita di contatto e contatto) del terreno.

<table><tbody><tr><td>Dispositivo di offerta di pressione di confinamento</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>Acqua disaerata</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Acqua disaerata in laboratorio</td></tr><tr><td>Sabbia di poiana Leighton</td><td>Erba artificiale Sabbia</td><td>industriale drenata Cambridge 25 kg</td><td>Può essere sostituito con terreni diversi</td></tr><tr><td>Dispositivo di carico triassiale in miniatura</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Il dispositivo di caricamento in miniatura è appositamente fabbricato dal autori</td></tr><tr><td>Grasso al silicio</td><td>RS azienda</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>Radiazione di sincrotrone Micro CT configurazione</td><td>Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)</td><td>13W1</td><td>Il test triassiale viene eseguito presso la linea di fascio BL13W della pompa a vuoto SSRF</td></tr><tr><td></td><td>Hong Kong Labware Co., ltd.</td><td>Bilanciere 300</td><td></td></tr></tbody></table>

visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto shear utilizzando la microtografia a raggi x del synchrotron

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

Il rapido sviluppo di tecniche di imaging a raggi X con competenze di elaborazione e analisi delle immagini ha permesso l'acquisizione di immagini TC di terreni granulari ad alte risoluzioni spaziali. Sulla base di tali immagini Ct, il comportamento meccanico su scala di grana come la cinematica delle particelle (cioè le traduzioni di particelle e le rotazioni delle particelle), la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle dei suoli granulari possono essere studiati quantitativamente. Tuttavia, questo è inaccessibile utilizzando metodi sperimentali convenzionali. Questo studio dimostra l'esplorazione del comportamento meccanico su scala del grano di un campione di terreno granulare sotto compressione triaxiale utilizzando la microtografia a raggi X del sincrotrone (CT). Con questo metodo, un apparato di carico in miniatura appositamente fabbricato viene utilizzato per applicare sollecitazioni confinanti e assiali al campione durante la prova triassiale. L'apparecchio è inserito in una configurazione di tomografia a raggi X del sincrotrone in modo che le immagini TC ad alta risoluzione del campione possano essere raccolte in diverse fasi di caricamento del test senza alcun disturbo al campione. Con la capacità di estrarre informazioni su scala macro (ad esempio, sollecitazioni e tensioni limite del campione dall'impostazione dell'apparato triaxiale) e la scala del grano (ad esempio, i movimenti della granulosità e le interazioni di contatto dalle immagini CT), questa procedura metodologia efficace per studiare la meccanica multiscala dei suoli granulari.

Figura 5 illustra i risultati della cinematica delle particelle di un campione di sabbia Leighton Buzzard (LBS) in una fetta 2D durante due incrementi tipici di taglio, I e II. La maggior parte delle particelle sono tracciate con successo e le loro traslazioni e rotazioni sono quantificate seguendo il protocollo di cui sopra. Durante il primo incremento di taglio, né gli spostamenti delle particelle né le rotazioni delle particelle mostrano una localizzazione chiara. Tuttavia, una banda loca...

Il protocollo descrive le procedure per acquisire immagini di tomografia computerizzata (CT) ad alta risoluzione spaziale di un suolo granulare durante la compressione triassiale e per applicare tecniche di elaborazione delle immagini a queste immagini CT per esplorare il comportamento meccanico su scala granulosa di il terreno sotto carico.

Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

Questo protocollo consente di acquisire dati su scala particellare di suoli granulari utilizzando la microtomografia a raggi X e sviluppare una comprensione dei processi e dei meccanismi su micro-scala alla base del comportamento microscopico dei materiali granulari. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce un pieno accesso alle informazioni sulla scala delle particelle dei suoli granulari tra cui morfologia delle particelle, microstruttura, rottura, spostamento e rotazione all'interno della deformazione dei materiali granulari. Questo metodo può anche essere applicato allo studio di altri tipi di materiali naturali o sintetici a base di pietra come rocce, miscela suolo-roccia, calcestruzzo, ceramica, asfalto e persino compositi polimerici.Inizia con la progettazione dell'esperimento con largo anticipo come descritto nel protocollo di testo. Determinare il materiale di prova, la dimensione delle particelle, la dimensione del campione e la porosità iniziale del campione. Per preparare un campione di terreno sulla scheda, aggiungere prima una piccola quantità di grasso siliconico intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore della piastra di base.Quindi posizionare una pietra porosa sulla sua superficie superiore. Mettere una membrana intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore. Aggiungere una piccola quantità di grasso siliconico sulle superfici di contatto tra le due parti del produttore del campione e posizionare il produttore del campione sulla piastra di base per consentire alla membrana di attraversarlo.Bloccare il creatore di campioni. Creare l'aspirazione all'interno del produttore del campione attraverso il suo ugello utilizzando una pompa per vuoto. Fissare la membrana alla superficie laterale dell'estremità superiore.Assicurarsi che la membrana sia attaccata alla superficie interna del produttore del campione. Far cadere il materiale granulare di prova da una certa altezza nel produttore del campione utilizzando un imbuto fino a quando non viene completamente riempito. La superficie superiore del campione di terreno deve essere dello stesso livello del bordo superiore del produttore del campione.Posizionare un'altra pietra porosa sopra il campione di terreno. Applicare del grasso di silicone intorno alla superficie laterale di una piastra cuscino in acciaio inossidabile e posizionarlo sopra la pietra porosa. Rimuovere il lato superiore della membrana dal produttore del campione e fissarlo alla piastra del cuscino.Rimuovere l'aspirazione all'interno dell'ugello del produttore del campione e creare aspirazione all'interno della valvola sulla piastra di base. Infine, rimuovere il creatore di campioni. Viene prodotto un campione secco in miniatura.Ora, fissare la cella confinante sulla piastra di base e fissare la piastra superiore della camera sulla parte superiore della cella confinante. Apporre il resto dell'apparecchio di carico sulla piastra superiore della camera. Aggiungere una pressione di confinamento costante di 25 kilopascals al campione e rimuovere l'aspirazione all'interno del campione.Aumentare gradualmente la pressione di confinamento a un valore predeterminato utilizzando il dispositivo di offerta di pressione confinante. Per analizzare una sezione dell'esempio, impostare la tomografia computerizzata o lo scanner CT sulla modalità di acquisizione delle immagini. Quindi, inizia lo stadio di rotazione per ruotare l'intero apparato di 180 gradi a una velocità di rotazione costante predeterminata per catturare proiezioni CT del campione a diverse angolazioni.Per uno scanner CT ad alta risoluzione spaziale, una scansione completa del campione di solito richiede che il campione venga scansionato a diverse altezze. Applicare un carico assiale sul campione con una velocità di caricamento costante. Qui viene utilizzata una velocità di caricamento dello 0,2% al minuto.Gli utenti possono impostare una velocità di caricamento diversa in base al requisito dell'esperimento. Sospendere il carico assiale a una deformazione assiale predetermina. Attendere che la forza assiale misurata raggiunga un valore costante ed eseguire la scansione successiva.Ripetere questi passaggi fino alla fine del caricamento. Costruiamo sezioni CT del campione in base alle proiezioni CT dopo il recupero di fase utilizzando il software PITRE. Caricare le proiezioni in PITRE dall'immagine di caricamento del menu.Fare clic sul sinogramma di proiezione dell'icona. Immettere i parametri rilevanti nella finestra visualizzata e fare clic su singolo per ricostruire una fetta CT. Implementare il filtro immagini sulle sezioni CT.Un filtro di diffusione anisotropico viene utilizzato per eseguire il filtraggio delle immagini. A questo ora, eseguire la binarizzazione delle immagini sulle sezioni CT filtrate. A tale fine, implementare la binarizzazione dell'immagine applicando una soglia di valore di intensità alle sezioni CT.Questo valore è determinato in base all'istogramma di intensità delle fette CT usando il metodo di Otsu. Separare le singole particelle dalle sezioni CT binarizzate utilizzando un algoritmo spartiacque basato su marcatori e memorizzare i risultati in un'immagine etichettata 3D. Convalidare i risultati confrontando la distribuzione delle dimensioni delle particelle calcolata dall'immagine CT con quelle di un test di setacciatura meccanica.Uno script matlab viene utilizzato per estrarre le proprietà delle particelle, tra cui il volume delle particelle, l'area della superficie delle particelle, l'orientamento delle particelle e le coordinate del centroide delle particelle. Le funzioni intrinseche matlab vengono utilizzate per acquisire queste proprietà per ogni particella. Estrarre le buche di contatto dalle sezioni CT binarizzate implementazione di un'immagine logica e operativa tra l'immagine binaria delle sezioni CT e l'immagine binaria delle linee spartiacque acquisite dall'implementazione dell'algoritmo spartiacque basato su marcatori.Per quantificare il campo di deformazione del campione, utilizzare un metodo basato sulla griglia per calcolare il campo di deformazione durante due scansioni consecutive, in base alla traslazione delle particelle e alla rotazione delle particelle. Analizzare l'evoluzione del contatto tra particelle del campione. In base ai fori di foxhole di contatto estratti, alle immagini etichettate delle particelle e ai risultati del tracciamento delle particelle, analizzare l'orientamento del vettore di diramazione dei contatti persi e i contatti guadagnati all'interno del campione durante ogni incremento di condivisione.Vengono mostrate la curva sollecitazione-deformazione e una fetta 2D di un campione di sabbia Leighton Buzzard sotto compressione triassiale. Qui sono visualizzati i risultati della cinematica delle particelle alla fetta 2D durante il test. La maggior parte delle particelle viene tracciata con successo e le loro traduzioni e rotazioni sono quantificate.Una banda localizzata viene sviluppata sia nella mappa di spostamento delle particelle che nella mappa di rotazione delle particelle alla fine del test. Qui è mostrata la frequenza di orientamento normalizzata dei vettori di ramo dei contatti guadagnati e dei contatti persi nel campione durante il test. I contatti persi mostrano una chiara preferenza direzionale verso la direzione di sollecitazione principale minore durante la prova.La calibrazione dell'asse di rotazione come descritto nel protocollo di testo è importante perché la ricostruzione riuscita della fetta CT non si basa solo sul posizionamento appropriato della fase di rotazione. Per evitare qualsiasi radiazione ionizzata ai corpi umani dalla sorgente di raggi X, è necessario assicurarsi che tutte le porte e le finestre della stanza di scansione siano correttamente chiuse prima di ogni scansione. Seguendo una procedura simile, è possibile eseguire test dell'istituto con diffrazione o dispersione a raggi X.Ciò fornisce uno strumento per la misurazione delle forze di contatto tra particelle e della loro propagazione all'interno dei materiali granulari di formatura. I dati sperimentali acquisiti possono essere utilizzati per lo sviluppo di modelli costitutivi avanzati di sabbia, considerando i loro comportamenti meccanici su scala granulosa, e per la modellazione numerica di sabbie sotto carico.

visualization-failure-associated-grain-scale-mechanical-behavior

Research

Ricerca

JoVE Journal

Engineering

Ingegneria

Abbiamo usato sincrotrone tomografia a raggi X alla European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a non invasivo produrre set di dati 3D tomografiche con un pixel-risoluzione di 0.7μm. Utilizzando il software di rendering del volume, questo permette la ricostruzione di strutture interne allo stato naturale, senza gli artefatti prodotti dal sezionamento istologico.

Non invasive di visualizzazione 3D con sub-micron Risoluzione Utilizzando sincrotrone a raggi-X, la tomografia

Presentiamo una metodologia per l'imaging di più fasi fluide in condizioni di serbatoio mediante l'uso della microtomografia a raggi X. Mostriamo alcuni risultati rappresentativi dell'intrappolamento capillare in un campione di roccia carbonatica.

Reservoir Condizione Pore scala Imaging di più fasi Fluid Utilizzo di X-ray microtomografia

La microtomografia a raggi X dura basata sul sincrotrone viene utilizzata per visualizzare la crescita elettrochimica dei dendriti da un elettrodo metallico di litio attraverso una membrana elettrolitica polimerica solida.

Failure Analysis delle batterie a base di sincrotrone Utilizzando raggi X duri microtomografia

Per questo studio radiazione di sincrotrone micro-tomografia, una tecnica di imaging non distruttiva tridimensionale, è impiegato per esaminare un intero pacchetto microelettronica con una sezione trasversale di 16 x 16 mm. A causa della forte flusso e la luminosità del sincrotrone il campione è stato ripreso in soli 3 minuti con una risoluzione spaziale 8.7 micron.

L&#39;utilizzo delle radiazioni al sincrotrone microtomografia a indagare multi-scala Pacchetti microelettronici tridimensionali

Synchrotron veloce tomografia stato usato per dinamicamente immagine dissoluzione del calcare in presenza di CO 2 salamoia saturi a condizioni di giacimento. 100 scansioni sono state prese a risoluzione 6,1 micron per un periodo di 2 h.

Dinamico Pore scala Reservoir-condizione Imaging di Reazione a Carbonati Utilizzando sincrotrone tomografia veloce

Questo documento fornisce un metodo dettagliato per caratterizzare la microstruttura di ultrafini materiali nanocristallini grana e usando un microscopio elettronico a scansione dotato di un sistema di diffrazione di elettroni retrodiffusione standard. leghe metalliche e minerali presentano microstrutture raffinati sono analizzati utilizzando questa tecnica, mostrando la diversità delle sue possibili applicazioni.

Caratterizzazione di Ultra-grana fine e nanocristallini materiali utilizzando la trasmissione Kikuchi Diffraction

Segnaliamo le procedure dettagliate per esperimenti di compressione sulle rocce e inerti minerali all'interno di un apparato di deformazione multi-incudine accoppiato con x-radiazione di sincrotrone. Tali esperimenti consentono di quantificazione della distribuzione dello stress all'interno di campioni, che in ultima analisi, getta luce sui processi di compattazione in geomateriali.

Distribuzione delle sollecitazioni durante la compressione a freddo di rocce e inerti minerali mediante diffrazione di raggi x di sincrotrone-basato

Descriviamo un setup beamline significato per effettuare la mappatura di microdiffrazione di fluorescenza e raggi x rapida radiografia bidimensionale di campioni singoli di cristallo o polvere utilizzando Laue (policromatica radiazione) o diffrazione da polveri (radiazione monocromatica). Le mappe risultanti danno informazioni sul ceppo, orientamento, distribuzione di fase e deformazione plastica.

Microdiffrazione dei raggi x di sincrotrone e formazione immagine di fluorescenza del minerale e campioni di roccia

Comportamento a fatica microstructurally piccola crepa crescita è studiato utilizzando un nuovo approccio metodologico che combina analisi misura e campo di deformazione della crescita tasso crepa per rivelare il campo di deformazione cumulativa a livello sub-grano.

Misure estensimetriche a pieno campo per affaticamento Microstructurally piccola crepa propagazione utilizzando il metodo di correlazione di immagini digitali

Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.

Un esperimento di simulazione virtuale di meccanica: deformazione e guasto del materiale basato sulla microscopia elettronica a scansione

Il protocollo consente di misurare la deformazione della microstruttura ossea nell'intero femore umano prossimale e la sua tenacità combinando la scansione micro-TC di grandi volumi, uno stadio compressivo personalizzato e strumenti avanzati di elaborazione delle immagini.

Imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nell'anca umana

Scopri la microtomografia a raggi X per analizzare il comportamento meccanico dei suoli granulari a scala dei grani. Questo metodo avanzato permette di studiare morfologia, rottura e rotazione delle particelle durante la deformazione.

Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron (Video) | JoVE Journal

Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron

Esplora altri video