分子场快速计算及在蛋白质识别研究中的应用

蛋白质识别关键区域的研究对揭示生命现象的本质规律,提高药物设计效率,降低新药物开发的成本和周期有重大的应用价值。但由于蛋白质大分子结构的高度复杂性,一般的计算机系统难以对蛋白质识别过程中结构与功能的连续性变化实现快速动态分析。设计并实现了一种基于GPU/CPU异构的集群系统,根据生物计算的特点对异构集群进行数据结构和算法设计,建立起基于GPU的Kd-tree构造和访问的高效算法,以提高系统并行计算的性能。在此基础上对蛋白质分子场的动态时变序列进行快速计算,对结果进行分类,能快速高效地确定出蛋白质的相互作用关键区域。该方法得到了相应的生化实验结果验证,为揭示蛋白质作用机制提供了一种高效直观的新方法。

二维十字排列椭圆孔声子晶体带隙研究

采用有限元及实验方法,研究二维十字排列椭圆孔声子晶体中弹性波传播的带隙以及人为引入的夹杂对带隙的调控.当声子晶体薄板沿板厚方向均匀施加面内激励时,将激发面内的动力响应,对应于平面应力状态.基于逆向思维,针对二维十字排列椭圆孔声子晶体薄板,建立平面有限元模型,计算该模型沿晶格ΓX方向的波动传输特性,分析孔洞长短轴之比、孔隙率和线缺陷等因素对带隙及弹性波传播特性的影响.制作与计算模型同尺寸的声子晶体试样进行传输特性实验,测试结果与有限元仿真结果吻合.结果表明,带隙的宽度随着椭圆孔长短轴比例的增加而增大,可以通过引入合适的线缺陷来反向调控声子晶体的带隙.

基于L-S理论的压电球壳广义热冲击分析

基于L-S广义热弹性理论,针对压电球壳受表面球对称热冲击作用下的热弹性问题进行分析.从三维压电弹性理论基本方程出发,利用Laplace变换,建立耦合的6阶状态方程;采用层合近似模型,将状态方程转化为关于径向坐标的常系数状态方程.利用界面连续条件得到球壳内、外状态变量的整体传递关系,结合球壳内、外边界条件,可以确定频域内所有状态变量,通过数值反变换获得时域解.数值算例给出热冲击作用下压电球壳的位移、应力、电势和温度等物理量的分布规律,考察热松弛时间对热冲击作用效果的影响.

周期结构后屈曲新算法及其应用

提出了周期结构后屈曲分析的一种新算法。在屈曲点附近,通过加载模型和诱导后屈曲边值问题之间的相互切换,避开屈曲点附近刚度矩阵的奇异性,并诱导结构产生预期的后屈曲变形,避免了以往后屈曲算法中引入几何初始缺陷后对系统带来的可能影响。通过对三种由超弹性材料所构成的周期孔隙结构的后屈曲分析,验证了本文所提出的后屈曲算法的有效性和灵活性。分析了周期孔隙材料多向加载对屈曲模式转换的影响,以及后屈曲变形对弹性波传播带隙的影响,为周期结构中弹性波传播的调控提供良好的基础。

力电耦合偏场理论:回顾、比较与展望

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.

铁电驻极体-液晶高弹体光电转换器性能分析

基于在紫外光照下可变形的液晶高弹体与铁电驻极体材料,设计了一种光电转换器模型器件。该模型器件能实现在紫外光照射下的电信号输出功能。建立了光电耦合分析模型,并分析了紫外光光强对产生感应电荷的影响。结果表明,该模型器件可指导开发一种能够测量一定光强范围内紫外光强度的光电传感器。

纳米限阈下的水分子作为载体的信号转换、传导和放大

通常各种信号处理器,如放大器、分流器等,都是利用电子或者光子进行信号的处理,当处理器小到纳米或分子尺度时,由于分子体系固有的复杂性,和来自热涨落和纳米尺度上区间信号的相互干扰等原因,分子层次上信号的准确传递、转换和放大常常是十分困难的.从分子层次的相互作用的角度来看,与静电相互作用的慢衰减方式和范德华作用的快速衰减方式相比,极性分子的偶极相互作用是屏蔽热噪声的影响且有效地避免分支信号间的干扰而实现分子层次上的长程信号传递的有效方法.本文回顾了如何利用限阈于特定管径的碳纳米管内的水分子单链有效地进行将单电子电量大小的电信号转换成偶极信号,并在常温热噪声的环境中实现有效地分子层次的长程信号传导,并进一步利用Y型水分子单链实现分子层次信号的放大.本文还讨论了Y型水分子单链实现分子层次信号放大的鲁棒性,并利用在水分子之外的极性小分子链——尿素分子链,再次展现这种通过偶极相互作用来实现分子层次的信息处理方式.对于人们设计新型的纳米信号传输器件、理解生物信号传递机制,这些研究具有重要的理论意义.

Y形横梁六维力/力矩传感器的应变分析

设计电阻应变式六维力/力矩传感器的前提是预知其弹性结构的应变分布,而传统的基于几何建模的有限元分析设计方法存在耗时长、效率低等问题。针对Y形横梁六维力/力矩传感器的弹性结构,提出一种高效、精确的解析分析方法。详细考察了该六维力/力矩传感器弹性横梁在各轴力/力矩载荷作用下的变形特征,基于铁木辛柯梁理论建立简化的力学模型,从而解析地得到各轴力/力矩载荷作用下弹性横梁中应变的显式表达式,与有限元模拟进行对比。结果表明:解析模型给出的预测结果与有限元数值解基本吻合,说明了该解析模型的正确性和有效性,从而为Y形横梁六维力/力矩传感器的设计提供了高效、精确的解析手段。

高韧柔性电子制备的新途径

柔性电子技术将电子器件制作在柔性基体材料上,赋予传统电子器件可延展、可穿戴等特征.这一技术在各领域,尤其是生物医疗领域有着广泛的应用前景,例如能够与人体表面紧密贴合的柔性电子器件,可以实时检测人体的生理参数,从而可实现从当前疾病的治疗到将来疾病的预防和健康管理的医疗模式转变.

柔性微型无机发光二极管的热管理

基于无机材料的发光二极管(Inorganic Light-Emitting Diodes,简称ILED)由于效率高、寿命长、响应快、方向性好等优点被广泛应用于各个领域,例如固态发光照明、光学通信和光遗传学等.与柔性衬底相结合制备得到的柔性ILED具备了能够任意弯折、扭转或拉伸这些传统LED所没有的特性,可以实现与大脑、皮肤、器官等柔软组织的集成,这为以后临床需要的医疗检测和诊断提供了可能性.本文针对矩形形状柔性ILED的传热过程建立理论和有限元仿真模型,解析得到LED中的温度场分布及其随着LED尺寸的变化规律,所得的理论预测与有限元仿真结果吻合地较好.通过理论模型,建立了ILED无量纲温升的比例定律,并研究了柔性LED正常发光工作时的无量纲温升随无量纲几何和无量纲材料参数的变化规律,这些结果为矩形柔性LED的热管理提供了理论依据,对柔性LED的设计具有一定的指导意义.