人体骨骼生物力学测试研究综述

骨骼是由矿物质和胶原蛋白等成分构成的多尺度层级结构,其在生理载荷作用下的自适应特性造就了骨骼复杂的非均匀性、各项异性等特性。为适应机械、生物力学、医学、航空航天、法医等多领域中骨骼生物力学特性的表征,需要利用多种不同的材料力学测试方法,准确地获取骨骼的材料本构参数。全面介绍了骨骼试样的保存、制备、测试及材料本构参数识别方法,分析了各种力学测试方法的特点及其对骨骼试样的要求。还介绍了新测试技术在骨骼力学特性表征方面的应用,基于三点弯曲测试方法提出了一套人体骨骼的材料参数获取流程。可为骨骼生物力学特性的系统表征提供理论和方法参考。

等离子体医学研究进展

大气压非平衡等离子体(atmospheric pressure nonequilibrium plasma,APNP)能够在产生多种活性成分的同时保持较低甚至常温的气体温度,这使得它在生物医学方面有着巨大的应用前景,因此等离子体医学成为一个备受关注的新兴研究领域。自1996年第一篇等离子体医学研究论文发表以来,等离子体医学领域取得了蓬勃的发展,但也面临着一些核心科学问题亟需解决。文中对等离子体医学的研究进展进行了综述,探讨了该领域面临的核心科学问题和等离子体的生物安全性。此外,还简要介绍了等离子体医学在微生物消杀、伤口愈合、癌症治疗、经皮给药和皮肤病治疗等重要应用方面取得的成果。对于制定等离子体医学的标准和规范、建立第三方检测平台以及共享数据库和标准装置等问题,也进行了初步的讨论。最后,对等离子体医学的未来进行了展望。

电极间隙对脉冲电场处理器杀菌效果的影响

脉冲电场是新型非热杀菌技术,杀菌效率高、有效保留液体食品的营养成分,具有广阔的应用前景。电极间隙作为脉冲电场杀菌处理器的关键指标,决定处理器的电场分布和杀菌效果。为了获得最佳间隙参数,提升杀菌效果,为此设计了共场型脉冲电场处理器,电极间距分别为3、5和7 mm,针对固定电导率(等效鲜榨柚子汁电导率)的2种典型细菌(金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)菌悬液,研究了脉冲电场的杀菌效果。研究发现,3 mm电极间距所能施加最大电压为18 kV,5、7 mm的可达30 kV;处理时间为120 s时,3种间隙的杀菌效率均可达99.99%。因此,综合考虑电源性能、设备能耗和处理能力,首选3 mm电极间距为处理器的应用参数。评估外施电压幅值对杀菌效果的影响,发现细菌存活量的下降趋势可根据其下降速率分为“慢-快-慢”3个阶段。结合菌悬液上清液蛋白质含量的上升趋势,充分说明了电穿孔应为脉冲电场的主要杀菌机制。

环氧树脂醇解回收再制备固化动力学研究

针对利用环氧树脂醇解产物制备新树脂固化工艺缺乏分析的问题,首先运用非等温差示扫描量热法,研究了醇解产物含量对再制备树脂固化行为的影响。随后通过固化动力学模型,确定了再制备树脂的固化条件,并以此制备得到新树脂,测量了其介电性能。结果表明:当醇解产物替代双酚A二缩水甘油醚质量分数为25%时,再制备树脂的预固化温度小于120℃,后固化温度为160.57℃,这是因为,醇解产物中的羟基可促进环氧基的开环反应,使得再制备树脂的固化温度随醇解产物含量增加而降低;再制备树脂符合自催化双参数固化动力学模型,总反应级数大于1,且固化过程中的表观活化能Ea是固化程度α的函数,基于Ea(α)函数得到试样实际固化程度接近理论值;与原始环氧树脂相比,再制备树脂的相对介电常数、介质损耗和击穿电场强度有所增加,其介电性能满足电工用环氧树脂使用要求。该研究内容为醇解回收再制备环氧树脂的固化工艺提供了经验和指导。

基于谐波分量的配电电缆绝缘劣化状态带电检测技术

由于受城市电网停电检修的限制,配电电缆的谐波电流带电检测技术有望成为传统离线诊断方法的有效补充,以提升配电电缆绝缘状态的诊断实时性。该文搭建了10 kV配电电缆真型实验平台,并制备了受潮与长时热老化的典型缺陷电缆。通过COMSOL有限元电磁仿真获取了典型缺陷下电缆绝缘体的磁通演变规律,通过实验测试得到电缆典型缺陷时谐波电流特性及统计特征规律。在此基础上,利用谐波特征数据,构建了基于LASSO回归分析的配电电缆劣化程度分析方法,进一步提出基于聚类分析的缺陷类型辨识方法。结果表明,配电电缆谐波电流的3、4、5、11次谐波与电缆劣化状态密切相关。融合主成分分析(PCA)数据降维和期望最大化聚类分析的模型用于受潮与正常电缆状态辨识时,识别准确度最高可达75.64%。该文提出的带电检测手段及评估方法能有效排查具有潜伏性缺陷的高危电缆。

不同年龄与部位颅骨生物力学性能差异研究

目的不同年龄间颅骨材料力学参数差异尚不清楚。本研究旨在调查年龄对人类尸体额骨、顶骨和冠状缝力学特性的影响。方法利用测厚规分别对0~1岁组、2~12岁组、31~50岁组、51~70岁组、71~90岁组5个年龄组的人尸体左侧额骨(left side of the frontal bone,LF)、左侧顶骨(left side of the parietal bone,LP)、冠状缝(额骨-冠状缝-顶骨,简称冠状缝,coronal suture,CS)各部位样本厚度进行测量,并利用万能材料试验机对其进行三点弯曲实验,检测或计算其最大力、最大力下桡度、最大力下应变、弯曲强度、弹性模量等材料力学参数,分析上述各参数与年龄的关系,以及上述各参数在LF、LP与CS三者之间的差异。结果随着年龄增长,各部位颅骨厚度均呈先上升后降低趋势。在31岁以上的3个年龄组中,LF、LP和CS的最大力高于12岁以下的两个年龄组。0~1岁组与2~12岁组最大力下桡度数值显著高于31岁以上年龄组,差异均具有统计学意义(P<0.05)。各年龄组LF、LP、CS最大力下应变组间差异均具有统计学意义(P<0.05)。厚度、最大力、最大力下桡度、最大力下应变及弯曲模量在不同部位组间差异均具有统计学意义(P<0.05)。结论颅骨生物力学性能与年龄存在相关性,且不同部位颅骨生物力学性能存在一定差异,颅骨厚度是其生物力学性能的重要影响因素。

基于调频连续波的长距离电缆高阻故障定位精度提升研究

传统频域反射法对于长距离电缆高阻故障检测而言,存在检测效率低、遮蔽区域大、抗干扰能力弱等问题。基于此,提出一种基于调频连续波的定位方法以提升高阻故障定位精度。首先,建立了故障电缆分布参数等效模型,阐述了基于调频连续波积分的故障定位方法。通过向电缆首端注入调频连续波,得到携带高阻故障位置和特征信息的差拍信号,利用广义正交积分算法构建故障诊断函数,进而实现高阻故障定位。其次,仿真分析了长距离电缆在不同位置发生不同严重程度的单点及多点高阻故障的定位结果。最后,在实验室同轴电缆和现场330 kV电缆上进行定位测试,验证了所提方法的有效性。仿真和试验结果表明:基于调频连续波积分的定位方法能够有效定位长距离电缆高阻故障,最大可识别过渡电阻为3 kΩ,定位相对误差<1%;相比于反射系数谱法,该文所提方法具有更高的定位精度、更强的抗噪性能和更长的检测距离。

光/热双重固化树脂的制备及性能研究

以环氧丙烯酸酯和环氧树脂的混合体系作为基体树脂,加入光引发剂、活性稀释剂、高温热固化剂、促进剂,制备了体积收缩率小、固化速度快、力学性能优良的光/热双重固化树脂,研究了光固化树脂和热固化树脂质量比、热固化时间、热固化温度对光/热双重固化树脂性能的影响。结果表明,光固化树脂和热固化树脂质量比为5∶5、热固化温度为100℃、热固化时间为3h时,光/热双重固化树脂性能最佳,拉伸强度为18.82MPa,冲击强度为85.76J/m^(2),体积收缩率为2.48%。

成人H3K27M-变异型弥漫性中线胶质瘤4例临床病理分析

目的探讨成人H3K27M-变异型弥漫性中线胶质瘤(diffuse midline gliomas,DMG)的临床病理学特征。方法收集4例H3K27M-变异型DMG患者的临床病理资料,采用免疫组化EnVision两步法检测相关蛋白表达,应用荧光定量PCR法检测基因突变情况,并复习相关文献。结果4例患者中,男性2例,女性2例;3例为中青年人,1例为老年人;发生部位分别为延髓、脑干、丘脑以及由丘脑蔓延至颞叶;组织学从低级别到高级别胶质瘤形态均可见,组织学分级为2~4级;免疫表型:4例患者H3K27M均呈弥漫性强表达而H3K27me3表达丢失或者下调,3例患者p53呈强表达,Ki67增殖指数为5%~60%;2例患者行分子检测均为IDH野生型,TERT未检测到变异。结论成人H3K27M-变异型DMG好发于丘脑和脊髓,H3K27M和H3K27me3免疫组化联合使用是诊断该病的重要辅助手段。

界面湿放电下护套ATH填料析出对绝缘子芯棒酥朽老化的影响

复合绝缘子中玻璃钢芯棒的酥朽老化现象频繁出现,严重影响了输电线路可靠性。然而,酥朽老化与界面放电的关系尚无明确证据,界面放电下护套粉化对老化的影响仍不明确。文中以内击穿故障而退运绝缘子为参考,搭建了基于界面湿放电的人工加速老化平台,还原了绝缘子的界面放电和芯棒酥朽老化的发生和发展,并模拟了护套ATH填料析出对于酥朽过程的影响。实验在高湿环境下通过界面放电提供酸性和高温条件,在1000 h的老化过程中,对芯棒样品的微观结构、物理化学性质和泄漏电流进行表征。实验结果表明,多因素环境下的复合绝缘子界面放电会引发芯棒中环氧树脂的分解,最终导致玻璃纤维暴露、断裂,形成酥朽老化。同时,由于界面放电导致的护套ATH填料析出行为虽然会加剧芯棒表面老化;但在长期老化过程中,ATH填料可以部分减缓酥朽老化的深入。硅橡胶护套的耐漏电起痕能力对于减缓芯棒酥朽依然有正向效果,使复合绝缘子拥有一定的自修复性。该研究提供了界面放电引发酥朽老化的实验室基础,有助于监测和理解芯棒老化的发展过程和机理,同时从预防和减缓酥朽老化的角度为护套填料配方提供参考。

微纤化/纳米纤维素复合绝缘纸的力学特性及计算方法

油纸绝缘变压器的绝缘纸处于强机械振动和机械冲击的作用环境中,这对绝缘纸的强度和抵抗变形的能力提出了很高的要求。因此,实现对纤维素绝缘纸机械性能的有效提升和准确预测至关重要。文中通过微纤化/纳米纤维素的体相掺杂,制备出不同质量分数的纳米纤维素晶须、纳米纤维素纤维和微纤化纤维素改性绝缘纸。然后对不同掺杂浓度下微纤化/纳米纤维素改性绝缘纸的微观形貌、应力-应变曲线和杨氏模量进行测量,对比了不同长径比的微纤化/纳米纤维素对绝缘纸机械性能的改性效果。从自身强度、形态、界面效应和团聚效应等方面分析了微纤化/纳米纤维素对绝缘纸的改性机理。在详细实验结果和综合分析的基础上,基于Halpin-Tsai模型对理想情况下填料改性作用的分析,考虑到团聚相和界面相的影响,实现了对不同掺杂浓度下改性绝缘纸杨氏模量的预测。独立实验验证表明,所提出的预测模型误差小于1.57%。该研究对实现绝缘纸的纳米改性和机械性能预测具有重要意义。

真空中固体绝缘沿面闪络现象的研究进展

针对长期以来高电场下复合绝缘系统的耐电性能受绝缘材料的沿面闪络现象所限制,严重制约了很多电气电子系统的整体性能的现状,迫切需要深入研究真空中绝缘子沿面闪络现象,为此,综述了国内外相关研究现状和进展,认为此现象是一种发生在高电场下的复杂界面(电极与材料的交界面)和表面(材料的表面)的物理现象。闪络过程在本质上反映出高电场下的电荷行为,由体内(材料的表层内)和体外(材料的表面及表面以上)2过程支配。需综合考虑绝缘材料的介电常数、电阻率、二次电子发射特性、表面陷阱分布等影响因素,进而提出表征和改善真空中沿面闪络特性的综合评价体系,最终达到认识新的物理现象并将之有效调控的目的。

硅橡胶复合绝缘子老化表征评估研究的现状与进展

硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、耐污闪能力强、运输安装方便等优点,被广泛用于电力系统的外绝缘。在污秽、紫外辐射、放电、温湿度等现场复杂因素的长期作用下,复合绝缘子硅橡胶绝缘材料逐渐老化,运行可靠性显著降低,严重威胁电力系统的运行安全。如何科学表征和评估复合绝缘子的老化状况,是目前国内外业界关注的热点和难点问题。文中结合作者的研究成果,分析了复合绝缘子硅橡胶材料的老化机理,综述了目前考核复合绝缘子长期性能的模拟严酷环境试验方法以及复合绝缘子老化状态检测和评估技术的研究现状与进展,对各种老化试验及状态评估方法的适用性及有效性进行了分析,最后对复合绝缘子老化状态表征和评估技术的发展趋势进行了展望,以期能为电力部门的复合绝缘子运行维护和生产厂家的设计制造提供参考。

介电功能梯度材料在电气绝缘领域的研究进展

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构的耐电强度。相对于传统绝缘设计中结构优化与材料改性相对分离的情况,d-FGM创新性地将两者有机结合起来,有望带来绝缘设计理念的变革。该文分析了d-FGM在电气绝缘领域的应用原理,综述了其研究进展,并进一步从d-FGM设计、制备、性能评价(包含介电特性无损检测、放电起始及发展物理机制探索)等方面,阐述了d-FGM研究中的关键科学问题及解决思路,以期对电气绝缘d-FGM的学术研究及工程应用起到指导和促进作用。

基于等效媒质理论的高频变压器利兹线周期性结构均质化建模方法

高频变压器是电力电子变压器实现新能源交直流系统电气隔离、电压转换的核心部件,具有体积小、功率密度高的特点。受高频集肤效应及邻近效应影响,高频变压器的绕组损耗一般很大,加之其结构紧凑、散热能力不足,设备局部温升极易越限。准确高效地计算绕组损耗对高频变压器的优化设计和可靠运行具有重要意义。该文分析了利兹线的微观蜂巢结构,提取基本周期单元从而简化电磁场分析,基于等效媒质理论提出了绕组电磁场均质化仿真模型与损耗计算方法。结果表明:均质化仿真模型具有很高的准确性与计算效率,以精细化2维模型仿真结果为参考,磁通密度和电场强度的仿真误差小于0.5%,计算效率提升了约12000倍,运行内存需求减少了30.28倍;损耗计算方法在中低频段与主流模型的准确度近似,而在高频段的误差比Tourkhani模型降低了20%。该文提出的均质化模型显著降低了利兹线绕组电磁场仿真的建模难度和计算量,解决了高频涡流仿真难度大、损耗计算准确度低的问题,为高频变压器结构优化设计提供理论和模型支持。

变压器油中脉冲电弧放电压力波的产生过程研究

油中电弧产生的陡强压力波是导致变压器燃爆事故的直接原因,研究变压器油中压力波的产生过程与传播特性对增强变压器防灾御灾能力具有重要意义。为此采用油中脉冲电弧放电法产生压力波,极大减弱工频电弧中持续产气、重燃对压力波基本过程观测的干扰,搭建了油中脉冲放电压力波光-电联合诊断平台,实验采集电压、电流和压力时序信号以及动态纹影图像,研究油中电弧放电压力波的产生过程。实验结果表明,油中压力波的产生可分为电弧膨胀和气泡脉动2个阶段:电弧通道迅速膨胀并压缩油介质,产生一系列激波,继而叠加形成高频一次压力波;放电过程中产生的气泡经历多个膨胀和坍缩循环,溃散时形成二次压力波,其压强更高、频率更低。增大电极间距,一次压力波由球面波转变为沿电极方向的柱面波,而二次压力波会因多点产生的压力波相互叠加,其波前厚度显著增大。实验数据拟合得到油中压力波衰减系数为1.2~1.4,显著高于水中的衰减系数。

基于字词混用集成模型的电力变压器缺陷记录文本挖掘方法

变压器运维管理中积累了海量以文本形式记录的非结构化缺陷数据,但缺乏有效挖掘手段导致其利用率极低。文中提出一种基于字词混用集成模型的变压器缺陷记录文本挖掘方法,首先对变压器缺陷文本进行文本分词、去除停用词、文本增强、文本特征表示等预处理,以文本数学向量形式为输入,集成多个词汇级和字符级分类模型,通过元学习器对各基学习器性能的协同互补作用,实现变压器缺陷类型的准确识别和分类。与单一文本分类算法相比,该方法能够更全面地获得文本的语义特征,分类精确率达91%,模型准确率和召回率的综合评价分数F 1=0.9。将自然语言处理技术应用于电力设备缺陷记录文本,可以实现精准高效分类和故障识别,唤醒数据资源,显著提升电力变压器智能化管理水平。

水中正极性丝状流注放电发展特性

水中流注放电为击穿前放电通道起始与发展的关键过程,但由于涉及物理机制较为复杂且尚不明确,制约了水中放电应用效率的提升。探究了水中正极性丝状流注放电的模式转化特性、重燃特性与分叉特性,明确了通道界面沉积电荷与空间电荷分布对流注发展过程的影响。研究结果表明,水中正极性放电可分为第一类与第二类丝状流注,流注模式转化特性受气液界面电荷弛豫过程影响较大。当外施电压达到加速电压时,第一类流注迅速转化为第二类流注。第一类丝状流注通道内电离形成、熄灭及重燃过程与通道内部电场及气/液界面电荷密度关系密切。第二类丝状流注通道空间电荷分布受电压上升沿与电极表面结构影响较大。电压上升沿时间越长,主通道头部电荷密度与电场强度越低,通道发展速度随之降低。随电极表面微凸结构半径增大,流注分叉点位置将电极表面过渡为主通道根部。受主通道空间电荷分布影响,分支通道发展速度在微凸结构半径为5 μm时呈现先降后升趋势。

电致伸缩效应下水中电子输运特性

水中快脉冲(脉宽数ns甚至ps级)放电过程中,快脉冲在电极附近引起电致伸缩效应导致电极附近形成空化区.电子在空化区内积累能量并高速进入水体,电子在水中的输运特性是水中脉冲放电起始与发展的关键因素.本文构建了考虑弹性与非弹性碰撞截面的水中电子输运物理模型,采用蒙特卡罗方法研究不同能量电子的透射与散射径迹结构特征,研究了弹性碰撞、电离与激发碰撞频次随电子初始能量的变化以及水中电子能量损失特征.结果表明,较低能量的电子(约20 eV)受水分子散射影响能量损失较大,透射能力较弱,随着电子初始能量的增高,电子受水分子散射作用的影响逐渐减小,具有更强的液体穿透能力;弹性碰撞次数远大于激发与电离碰撞,导致电子散射距离与透射深度相当,电离碰撞和激发碰撞次数随电子能量升高显著增加;电子入射能量越高,其能损越大,随运动距离增加,能损急剧下降,与电子的平均电离能量损失W变化趋势一致.本研究可为探究快脉冲放电机理提供重要数据基础.

基于可移动特高频天线阵列的变电站站域放电源检测与定位研究

基于特高频天线阵列的局部放电检测方法已被应用于敞开式变电站(air-insulated substations,AIS)站域的局部放电巡检,但目前装置存在定位精度低等缺点。该文针对变电站局部放电去噪方法、传感器阵列优化布置、定位算法及检测系统开发等方面开展了深入研究。针对电晕噪声、手机通讯信号及非脉冲噪声,提出了合理选取检测频带、硬件陷波器及能量陡度阈值等去噪方法;通过克拉美罗下界分析及定位均方根误差仿真对天线阵列布置进行了优化,选取为4×1m的菱形天线阵;采用基于最大似然估计的概率定位法求解时差定位方程组,综合多次局部放电信号定位结果,可降低时差估计误差的影响,提高了定位准确度。开发了变电站局部放电检测与定位系统,包括超宽带全向双锥天线、信号调理电路及信号高速采集分析单元,用于110kV AIS站域局部放电检测,测试结果验证了系统的有效性及定位准确性。