活性结构力学

活性结构(细胞壁/膜、微丝微管、核孔复合体、DNA等)是构成生命体的基本结构形态,是实现生命活动功能的载体,可抽象为板/壳、梁/杆、膜等力学模型。活性结构不仅具有机械结构的强度、刚度、稳定性等基本力学性能,而且具有渗透性、双电层、收缩力、表面效应等活性特征。这些活性特征影响着活性结构在生命活动过程中的力学行为及功能,如力感知、力传递、力生物学响应等。研究不同活性特征对活性结构力学行为的影响,可为理解生命活动提供理论基础,为设计优化活性结构提供分析方法,有助于发展新型活性结构(如基因、蛋白药物)以及活性结构力学利用新技术(如力学诊断、力学疗法)。围绕活性结构的微结构及力学性能、多场耦合理论和肿瘤力学疗法应用3个方面,开展了系统性研究:(1)发展活性结构力学实验新方法,对活性结构进行微结构刻画及力、电学性能表征;(2)发展细活性结构力-电、流-固耦合理论,阐明其力学响应机制;(3)揭示生理、病理条件下典型活性结构静、动力学行为并探索肿瘤力疗法新应用。

多轴平稳非高斯随机振动试验控制方法

多轴向平稳非高斯随机振动控制试验能够对指定响应信号的时、频域特征进行同时控制。提出了一种快速生成具有指定功率谱密度、斜度和峭度的平稳非高斯随机振动信号的方法。通过频率采样方法将目标功率谱密度设计成滤波器,利用非线性变换方法获取非高斯随机信号,再将此信号经过设计的滤波器以获得满足要求的非高斯随机信号。该方法简单、快速并克服了传统非线性变换方法的缺点。进一步将此方法应用于三轴向平稳非高斯随机振动试验中,给出了三轴向非高斯随机振动控制的闭环均衡步骤,此方法能够同时对信号的功率谱自谱、相干系数、相位差以及斜度和峭度进行解耦控制。进行了三轴向平稳非高斯随机振动控制试验,三个方向上加速度信号的功率谱密度、斜度和峭度控制效果均令人满意,满足工程应用要求。

超声波力学治疗学

超声波作为一种非侵入性干预或调控手段在力学疗法中备受关注.该文介绍了高频率高强度、低频率高强度、低频率低强度和高频率低强度四类超声波对组织/细胞的作用方法、效果与机制,以及当前新兴的超声波治疗装置,并分析了超声波力学治疗学未来的发展趋势.有助于推动超声波力学疗法在肿瘤治疗、神经系统疾病治疗(如阿尔茨海默病、帕金森病治疗)等方面的技术进步及临床应用.

凹透镜实现亚波长聚焦的理论和实验研究

为了提升传统平面透镜的聚焦效果,增加焦点处的能量,缩小焦斑尺寸,实现亚波长聚焦,文章基于厚度变化设计了用于聚焦平面弯曲波的凹透镜.首先,基于Timoshenko梁理论求解了弯曲波在经历厚度变化后的透射系数及相位变化,并基于此完成了凹透镜的结构设计;其次,应用有限元软件COMSOL Multiphysics的结构力学模块开展了该透镜频域内的工作性能分析,包括聚焦位置及焦点处能量、焦斑尺寸等,并与传统平面透镜的情况进行对比;最后,实验验证了凹透镜设计的合理性和正确性.研究结果表明:文章所设计的凹透镜使平面入射的弯曲波聚焦在预先设定位置,且其性能优于传统的平面透镜,焦点处的能量更高、焦斑尺寸更小;凹透镜的焦斑尺寸小于工作波长的0.5倍,属于亚波长聚焦;此外,该透镜还具有一定的工作频率带宽,在结构参数不变的情况下能够在设计频率附近正常工作.提出的透镜设计方法易于工程实现,且聚焦性能优越,设计思想也能为声波、光波等领域相关透镜的设计提供借鉴.

基于PINN的变截面压电半导体纤维力学特性研究

为了研究任意截面形状的压电半导体纤维的力学特性,提出了基于物理信息的神经网络模型,应用深度学习算法求解复杂的变系数偏微分方程。以变截面压电半导体纤维的静态拉伸为例,构造深度神经网络作为试函数,将其代入控制方程形成残差,并作为机器学习的加权损失函数,进而通过深度机器学习技术逼近数值解。研究结果表明:该方法具有广泛适用性,能够求解任意截面形状压电半导体材料的线性和非线性方程。

基于离散元与相场法的激光选区熔化数值模拟

在激光选区熔化制造过程中,多物理场耦合特征明显,涉及传热、相变、熔池流动以及晶粒生长等复杂的物理现象,给质量调控带来了极大挑战。本文基于离散元法与相场法,提出了集成粉床-熔池-微结构演化的计算框架,实现激光选区熔化的高保真数值模拟。首先,采用离散元模拟了辊筒铺粉过程,讨论了铺粉工艺参数对粉床质量的影响;其次,提出了热-流-微结构耦合的非等温相场模型,验证了相场模拟计算研究熔池气液两相流动行为的可行性,并研究了反冲压力和马兰戈尼效应对熔池行为的影响;最后,实现了铺粉-单层扫描的全过程仿真,再现了激光选区熔化过程中熔池的流动、凝固以及晶粒演化等现象。

分布动载荷频域识别的试验动标定方法研究

分布动载荷识别是工程中最为复杂也亟需解决的结构动力学逆问题,通常可以转化为正交多项式系数的识别,从而衍生出了动标定技术。传统的仿真动标定方法是基于有限元仿真模型来实现的,然而仿真动标定方法存在模型误差,导致载荷识别精度不高。因此本文基于Legendre正交多项式和Gauss‑Legendre积分提出了分布动载荷频域识别的试验动标定方法。该方法的关键是通过测量有限的高斯点和响应点间的频响函数来完成分布载荷识别过程中的动标定,克服了传统标定在试验时无法加载正交多项式载荷计算标定矩阵的局限性,同时避免了模型误差对标定矩阵精度的影响,大大提高了载荷识别的精度。为了验证该方法的有效性和精度,将本文所提出的试验动标定方法与现阶段已有的仿真动标定进行了对比分析,并讨论了不同高斯点数对识别精度的影响及抗噪性能;此外,还通过相应的试验进一步验证了该方法的可行性与工程适用性。

ABC共轴直升机旋翼/机身耦合振动响应分析

前行桨叶概念(Advanced Blade Concept,ABC)共轴直升机具有较大的振动问题,为研究振动机理,建立了ABC共轴旋翼/机身耦合气动弹性模型,其中桨叶采用有限元梁模型,机身采用精细有限元模型。为提高耦合模型的气动弹性响应分析精度,结合传统CFD/CSD耦合分析方法与自由尾迹,提出了CFD/CSD/自由尾迹耦合计算方法,解决了传统方法的尾迹耗散问题,并保证了计算效率。基于此方法建立了ABC共轴直升机旋翼/机身耦合气弹响应分析方法。以样例ABC共轴直升机为研究对象,总结了重点位置振动响应随前进比和旋翼交叉角的变化规律,并得出了一些有意义的结论。

复合材料Ⅱ型疲劳分层扩展预测:从应变能释放率-寿命(G-N)曲线到Paris'law

疲劳分层是复合材料最常见、最危险的失效模式之一。本文建立了Ⅱ型加载条件下复合材料疲劳分层扩展的模拟方法。基于对疲劳分层扩展提出的新的物理解释:疲劳分层扩展为一系列连续发生的疲劳分层起始扩展,将疲劳损伤累积描述为层间界面断裂韧性衰减,构建了新的疲劳内聚力单元模型。针对Ⅱ型加载条件下的材料层间开裂变形场的特殊性,提出了用以描述Ⅱ型加载条件的层间界面疲劳损伤累积的衰减法则,确立了依据应变能释放率-寿命(G-N)曲线的材料本构参数标定方法。引入疲劳内聚力单元模型,预测了复合材料Ⅱ型疲劳分层扩展行为,与疲劳分层扩展实验所得Pairs’law能够很好地吻合。本文新提出的疲劳分层模拟方法相较于已有模型的优势在于:无需追踪裂纹扩展路径,降低了模型的应用难度,提高了计算效率;模型所需材料参数标定仅依赖于实验G-N曲线,无需实验Paris’law,参数标定所需的疲劳实验数量及时间大幅减少。