基于CT图像和机器学习的钙质砂宏微观力学试验及多尺度离散元建模

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51909289
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0905.水工岩土工程
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The micro-structures of calcareous sand particles (e.g., composites, size and shape), at microscale, have great influences on particle strength and particle breakage pattern, and at macroscale, make essential impacts on the mechanical behavior of calcareous sand bulks, leading to complex macroscopic physical and mechanical properties. Based on laboratory experiments and multiscale discrete element modeling, and using particle breakage and fragments evolution as a bridge, this project aims at developing a quantitative relationship between the micro-structure characteristics of calcareous sand particles and the bulk physical and mechanical properties of calcareous sand bulks. To begin with, a framework for reconstructing and characterizing granular particles from X-ray computed tomography is developed based on machine learning technique and level set method. Then, multiscale discrete element models that incorporate realistic micro-structures of calcareous sand particles are created for simulating the breakage tests of individual particles and the three-dimensional compression tests of bulks, respectively. The microscopic discrete element model passes particle strength and fragment characteristics up to the discrete element model at macroscale. Laboratory experiments are also conducted to calibrate and validate the proposed multiscale discrete element models. Lastly, the effects of particle micro-structures on the mechanical behavior of calcareous sand bulks are investigated based on the results of a serial of discrete element simulations with various particle micro-structures and loading conditions. The research work of this project would promote the study on particle micro-structures and multiscale discrete element modeling of calcareous sand, and provide useful implications for optimizing the design, construction and maintenance of calcareous sand foundations.
钙质砂的微观结构(如颗粒的微观组成、尺寸及形态)在微观尺度影响着颗粒的强度及破碎规律,在宏观尺度影响着堆积体的力学行为,进而导致复杂的宏观物理力学特性。本项目旨在以颗粒的破碎及形态演化为桥梁,通过宏微观力学试验及多尺度离散元模拟,建立微观结构对宏观物理力学特性影响的定量规律。首先利用micro-CT技术并基于机器学习和水平集方法构建钙质砂的微观重构与量化表征的流程框架;然后根据钙质砂的真实微观结构,通过颗粒的强度及碎块的形态分布特征相关联,建立颗粒及堆积体的多尺度离散元模型,并基于室内的单颗粒压缩破碎试验及堆积体三维剪切试验对模型进行校准与验证;最终,通过模拟颗粒及堆积体在不同微观结构及不同荷载条件下的力学响应,系统性地研究微观结构与宏观物理力学特性之间的量化关系。本项目有助于发展钙质砂的三维微观结构及多尺度离散元建模研究,为钙质砂工程基础的设计、施工及维护提供理论和技术支持。

结项摘要

钙质砂具有形态不规则、多内部孔隙等特点,其带来的不良工程特性影响着南海岛礁地区的基础设施建设及能源开采等问题。有鉴于此,本项目通过室内力学试验及离散元模拟,研究钙质砂力学特性的微观机理及其形态效应影响。开展了1)钙质砂的颗粒微观重构和表征、2)钙质砂的宏微观力学试验、3)钙质砂的离散元建模及模拟分析等方面内容研究。实现了构建钙质砂的微观重构和量化表征方法、揭示颗粒破碎的微观机理和形态演化规律、建立考虑钙质砂真实微观结构的离散元模型等预期研究目标,完善了对钙质砂复杂力学行为的微观机理认识及数值分析方法。研究成果一方面可用于钙质砂的力学机理研究,为岛礁基础设施建设与能源开采工程提供理论和技术支持;另一方面积累的离散元关键算法和自主研发的离散元程序,为将来研发适用于复杂颗粒材料的新一代国产化离散元仿真软件奠定了扎实基础。依托本项目资助和研究成果,目前已发表学术论文及论著11篇,其中SCI收录9篇、EI收录1篇、中文核心1篇;申请发明专利5项、已授权发明专利3项,授权软件著作权1项;获得科研及科技奖励5项;参与国内外学术会议交流5次;协助培养硕士研究生2名、博士研究生1名。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(5)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
A polybézier-based particle model for the DEM modeling of granular media
用于颗粒介质 DEM 建模的基于多贝塞尔的颗粒模型
  • DOI:
    10.1016/j.compgeo.2021.104052
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    Computers and Geotechnics
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Lai Zhengshou;Huang Linchong
  • 通讯作者:
    Huang Linchong
基于球面沃罗诺伊的颗粒表面离散与重构方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    工程力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴峰;黄林冲;赖正首
  • 通讯作者:
    赖正首
Revisiting the GJK and shape erosion method for contact resolution in DEM
重新审视 DEM 中接触分辨率的 GJK 和形状侵蚀方法
  • DOI:
    10.1016/j.powtec.2021.08.068
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
    Powder Technology
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Lai Zhengshou;Zhao Shiwei;Zhao Jidong;Huang Linchong
  • 通讯作者:
    Huang Linchong
Machine-learning-enabled discrete element method: Contact detection and resolution of irregular-shaped particles
支持机器学习的离散元方法:不规则形状颗粒的接触检测和解析
  • DOI:
    10.1002/nag.3293
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Lai Zhengshou;Chen Qiushi;Huang Linchong
  • 通讯作者:
    Huang Linchong
Leveraging ray tracing cores for particle-based simulations on GPUs
利用光线追踪核心在 GPU 上进行基于粒子的模拟
  • DOI:
    10.1002/nme.7139
  • 发表时间:
    2022-10-23
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Zhao, Shiwei;Lai, Zhengshou;Zhao, Jidong
  • 通讯作者:
    Zhao, Jidong

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其他文献

桥坡顺接工程中高边坡稳定性的三维数值模拟分析nbsp;
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    工程地质学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    夏兼;杨旭;赖正首;刘镇;周翠英;徐一鸣;雷鸣
  • 通讯作者:
    雷鸣
桥坡顺接工程中高边坡稳定性的三维数值模拟分析
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    工程地质学报
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  • 作者:
    夏兼;杨旭;赖正首;刘镇;周翠英;徐一鸣;雷鸣
  • 通讯作者:
    雷鸣

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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