面向环境力学的离散元分析软件研发和工程应用

离散元计算分析软件对解决环境力学中的离散介质问题有至关重要的作用.针对环境灾害中的非规则颗粒单元,以圆球颗粒为基本单元,分别构造镶嵌组合单元、黏结组合单元、扩展圆盘单元和扩展多面体单元等,并在此基础上开发基于球形颗粒离散元方法的分析软件(Software of Spherical Particle-based Discrete Element Method,SDEM).该软件可模拟碎冰、岩石和道砟等颗粒材料的力学行为,能直观展现这些力学过程的发生、发展和演化;基于GPU的并行计算实现离散元大规模计算的高效性.对SDEM软件在地质灾害、工程海冰和铁路道床等领域的应用进行介绍.

环境力学与可持续发展

展望21世纪，环境问题是人类面临的最具有挑战性的课题，环境力学是力学学科新的生长点，本文概述了环境力学的历史沿革，还根据社会和经济可持续发展的需要和我国国情，提出了环境力学的研究方向与关键性基础研究问题，并以若干实例说明进行环境力学研究的途径．

超常环境力学领域研究新进展——《力学学报》极端力学专题研讨会综述报告

介绍了超常环境力学领域的相关研究背景,综述了《力学学报》极端力学专题研讨会的学术报告与前沿问题研讨.以极端力学关注的学科问题为视点,聚焦深海、深空、超高温、超高速等具有国家重大需求背景的研究方向,分别介绍了超常环境力学领域的重要成果与最新研究进展.通过这次会议,《力学学报》编辑部努力探索一种新的学术交流模式,能够及时将前沿性、基础性的学术成果传递给相关领域的科研人员,从而对相关领域的工程技术研发起到支撑作用.还对会议涉及的研究领域进行总结,期望能促进超常环境力学领域的研究与交流.

环境力学专题序

自然环境是人类得以生存和发展的物质基础.人类为了生存,从刀耕火种时代起就同自然界作斗争,同时也无意识地破坏了自己的生存环境,使得环境问题成为现代国际社会面临的共同问题.中国很早就将保护环境定为基本国策,在党中央生态文明思想的指导下,加快构建环境治理体系、树立绿色生产方式和生活方式正在成为一种潮流.

采矿环境力学及其对煤炭工业可持续发展的意义

展望 2 1世纪 ,环境问题是人类面临的最具有挑战性的领域之一 ,采矿引起的环境问题则与煤炭工业及社会可持续发展密切相关 .采矿环境力学是矿山岩石力学学科新的生长点 .本文以若干例子说明力学在研究与解决因采矿引起的环境问题中的重要作用 .根据我国国情及煤炭工业可持续发展的需要 ,提出了采矿环境力学的若干研究方向 .

基质微环境力学与细胞生物学行为

细胞作为有机体的最小组成单元,广泛参与着一系列的生命活动。细胞甚至单分子层面上的生物化学反应一直是探究机体生理活性的重点。近些年来,越来越多的研究指出,力学微环境广泛地影响着细胞的生物学活性,如细胞内蛋白质的分布和动态变化、信号转导等,同时细胞对外界产生的力学效应在组织的重构中起着重要的作用。理解力学微环境与细胞生物学效应的关系为研究生理病理条件下细胞的变化提供了新的视角,同时为开发支架等仿生材料提供了新的思路。本文总结了基质的硬度、配体浓度如何影响细胞黏附、迁移和分化,可为未来生物力学的研究提供基础和依据。

中国科学院力学研究所的环境力学学科简介

中国科学院力学研究所（以下简称力学所）最早在国内倡导并从事环境力学研究,早在1960年代就开展了地面沉降问题的研究,1970年代,开展了地球流体动力学方面的研究工作.1980年代,正式成立了环境流体力学研究室,

基于STFT-AOK的星箭力学环境等效频谱分析

星箭力学环境的频谱特性研究对于力学试验环境条件设计非常重要。工程上通常基于冲击响应谱变换获得力学环境参数等效频谱,然而该方法受稳态放大系数Q取值的影响较大。为此,文章提出一种基于短时傅里叶变换–自适应优化核函数(STFT-AOK)融合技术的星箭力学环境等效频谱分析方法。研究结果表明:STFT-AOK方法可在AOK准确定位频率成分和瞬态特征时频区域的基础上,结合STFT的准确幅值,构造出频率分辨率高且幅值准确的时频分布,实现力学环境等效频谱的有效获取,适用于各种复杂瞬态星箭力学环境参数的频谱分析。

急倾斜脉群钨矿开采过渡区围岩力学环境变化特征研究

随着现代化采矿工艺的发展,急倾斜脉群矿体正由传统的浅孔留矿法向更高效的阶段矿房法转变,采区围岩力学环境扰动规律也随之改变,特别是在2种采矿方法接替的开采过渡区,可能存在围岩力学环境分布规律的盲区。基于声发射测定的初始地应力采用FLAC3D软件模拟研究了过渡区开采中段采区围岩的力学环境变化特征。结果表明:①上部采区经浅孔留矿法回采出矿后,采区上下盘围岩受到拉应力作用且存在采场边帮松脱的趋势,单脉采场间围岩受应力作用不均匀导致上下端位移交错分布,采区上下盘围岩及单脉采场间围岩以剪切塑性区为主,有发生剪切破坏的风险。②下部采区经阶段矿房法回采出矿后,采区的应力集中现象更加明显,采场顶板出现沉降趋势,采区上下盘围岩向竖直方向变形且两采区位移较连续,采区的顶底板主要为拉伸塑性区且上下盘围岩存在较大范围的剪切塑性区,预示着采区围岩可能同时存在张拉和剪切破坏风险。③对采空区及时进行废石嗣后充填能够有效抑制应力集中现象。矿山在开采过渡区生产时应严格控制上下部相邻采场的开采、充填时序,避免超前开采,进而最大程度抑制应力集中导致的围岩变形、失稳等不利影响。

力学微环境下单细胞电化学分析

目的体外构建细胞力学微环境模型、发展单细胞原位表征技术,研究与心脑血管和癌症相关力学微环境对细胞特性的影响,对探索疾病病理学和发展新型治疗技术具有重要意义。本研究构建了模拟心肌纤维化、神经系统疾病、乳腺癌/肝癌不同发展阶段的细胞力学微环境体外模型,应用扫描电化学显微镜(SECM)原位表征了心肌、神经元、小胶质、乳腺癌、肝癌细胞在不同基质刚度和力-化微环境下的活性、氧化还原状态、氧化应激水平、迁移行为、多药耐药蛋白活性、铁死亡过程等,结果证实力学微环境对心肌细胞、乳腺癌、肝癌、神经小胶质细胞形态、迁移行为和生化特性等的影响,为研究力学微环境相关疾病病理学提供了单细胞原位表征数据参考。

侧挂式卫星-分配器一体化力学环境分析与试验验证

针对新型侧挂式双星和分配器系统的主动段力学环境分析与试验验证状态确定问题,分析对比了双星-分配器组合体状态和单星状态两种状态下的振动响应,说明了分配器对于侧挂式卫星的星箭接口和星上组件振动响应的影响,卫星分配器对于从卫星-分配器组合体下端框传递至星箭接口的正弦振动具有明显的放大效应,对于从卫星-分配器组合体下端框传递至星箭接口的随机振动具有衰减效应。据此卫星方和运载方共同制定了在卫星-分配器组合体状态进行卫星、分配器的力学环境适应性分析和试验的验证方案,地面研制阶段进行了卫星-分配器组合体力学试验验证并成功发射入轨,表明了侧挂式卫星-分配器进行一体化力学环境分析和验证的有效性。

卫星主动段力学环境监测系统设计

为精确获取卫星发射主动段星箭界面的加速度与界面力,设计了卫星主动段力学环境监测系统。系统由振动监测单元、振动传感器及应变片组成,其中,振动监测单元设计有3种工作模式——主动段测量模式、在轨振动数据分析模式及振动数据传输模式,采用基于应变的星箭界面动态载荷识别技术,具备6路振动力学传感器数据采集和24路应变数据采集能力。地面试验验证表明,该系统的振动测量精度达到10%,应变测量与LMS(LabVIEW Measurement Studio)系统应变采集数据之间的误差最大不超过4%。实际搭载中获得的星上主动段力学环境测量结果可为优化卫星分析模型和完善卫星地面力学环境模拟试验条件提供参考依据,并为卫星的后续研发与应用提供重要的技术支持。

血管支架植入引起的力学环境改变利于Piezo1促进内皮功能修复

目的Piezo1是细胞中最重要的力学感受器,同时还可调节内皮修复进程。一方面Piezo1在层流下可以促进e NOS磷酸化,从而提高内皮细胞中一氧化氮的含量对内皮修复起到正向作用;但另一方面,在湍流情况下,Piezo1能激活NF-κB相关途径,提高细胞炎症水平,促进AS进程,对内皮修复造成负面影响。本研究探讨了在血管支架植入后的内皮修复进程中Piezo1及其相关下游通路激活情况,以明确Piezo1在该过程中扮演怎样的角色。方法以球囊扩张对血管进行一过性的机械损伤刺激和316L血管支架植入后的持续稳定机械刺激为对照,明确PLLA血管支架植入后所带来的力学改变对Piezo1和下游通路表达的影响。以大鼠腹主动脉为植入模型,取样后进行伊文思蓝染色实验检测血管通透性情况,免疫荧光实验观察Piezo1,e NOS和NF-κB表达变化;同时对比临床AS组织样本和体外力学加载后的相关基因表达变化情况。结果Piezo1对剪切力的敏感程度高于拉伸和静压,后两者需要较高强度的刺激才能引起Piezo1的表达水平改变。不同血管支架植入后的Piezo1及下游基因表达情况不同。Piezo1在正常生理的内皮修复进程中Piezo1向有益血管健康的方向流动,而在病理情况下,Piezo1向损害血管健康的方向流动。结论PLLA血管支架植入后的力学环境改变更利于Piezo1促进内皮功能修复。

年龄及力学环境对骨折愈合组织胶原纤维形成及矿化的影响研究

目的增龄影响骨折的愈合能力以及愈合进程对力学环境的响应。承重骨骨折后,通常采用机械制动的干预措施促进愈合。然而,骨痂愈合组织内新骨的形成和矿化如何响应增龄及制动力学环境的过程和机制尚不清楚。方法本研究构建了幼龄(5周龄)和老龄(17月龄)的小鼠胫骨骨折愈合模型,两个年龄小鼠分为正常负重愈合组和后肢尾悬吊去负荷制动组,骨折愈合21 d后收集骨痂组织。利用三点弯曲、微观和纳观纳米压痕测试检测骨痂组织的多尺度力学性能。利用背散射扫描电子成像、micro-CT、拉曼光谱、原子力显微镜分析骨痂组织的多尺度结构及组成成分。结果与幼龄鼠相比,增龄导致老龄鼠骨折愈合延迟,愈合组织微观结构重塑受损、矿化程度和力学性能降低。制动促进了老龄鼠骨折愈合,老龄鼠矿化骨痂晶体长度增加48%,矿物基质比增加42%。与之相反,制动导致幼龄鼠骨折愈合组织矿化能力变差,胶原纤维排布紊乱(P<0.001),矿物颗粒晶体长度和矿物基质比减少(32%和36%)。制动组幼龄鼠骨痂处矿化胶原纤维排布散乱,而制动组老龄鼠中矿化胶原纤维则是有序的。结论制动对幼龄和老龄鼠骨痂内胶原纤维形成和矿化的影响相反。骨折愈合进程中,老龄鼠比幼龄鼠对稳定的力学环境更为依赖。

骨髓力学微环境对造血干祖细胞命运的调控及机制

目的造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)是所有免疫细胞和血细胞的共同前体,其生理行为受到骨髓微环境时空变化的紧密调控,但具体调控规律及机制尚未阐明。本课题主要探索骨髓力学微环境(基质刚度、空间限制/维度)对HSC命运的体外调控规律,并深入揭示力学微环境下的造血谱系亚群变化及机制。方法基于胶原与海藻酸钠的互作组装形成稳定的互穿单/双网络结构,构建具有刚度梯度的三维水凝胶细胞培养体系。进一步利用单细胞测序技术和生物信息学方法,剖析三维力学微环境中的造血异质性。结果凝胶基质刚度和空间限制对HSC的增殖分化具有显著调控作用,低刚度凝胶(45 Pa)有助于HSC的体外干性维持及髓系分化。单细胞测序技术揭示三维力学微环境可显著促进HSC单核祖细胞-巨噬细胞分化谱系,同时Tnf、NF-κB等免疫通路关键基因表达明显上调。三维力学微环境下特化产生的Cd14^(+)巨噬细胞亚群高表达趋化因子CXCL2,通过配受体结合模式(CXCL2/CXCR2)在体内外招募中性粒细胞以维持机体免疫稳态,并挽救巨噬细胞缺损小鼠的中性粒细胞招募功能障碍。结论微环境生物力学线索可独立调控HSC干性维持及髓-巨噬系特异性分化,可为HSC发育的生物力学基础提供重要理论线索,为生物材料用于HSC的临床策略提供技术依据。

基于胶原水凝胶构建骨骼肌力学微环境及其对肌生成的影响机制

目的骨骼肌的再生和发育需要合适的力学微环境,微环境的改变可能会引发废用性肌萎缩等相关疾病。目前对骨骼肌力学微环境的研究不够深入,主要体现在未考虑在体组织的黏弹性和忽略了有序细胞外基质(ECM)结构对力信号的引导作用。因此,亟需构建与在体相似的骨骼肌力学微环境,并深入探究骨骼肌再生过程中的力生物学机制,为临床上治疗骨骼肌疾病提供新的可能。方法首先测试了在体骨骼肌组织的力学特性,并开发了三维磁驱动胶原水凝胶平台。通过调控胶原的力学和结构特性,构建了模拟在体骨骼肌力学特性的黏弹性微环境和黏弹性协同ECM结构的双因素力学微环境,并探究了其中的力学转导机制。结果骨骼肌具有应变增强应力松弛特性,且骨骼肌有序ECM有利于力信号定向传递。通过构建的平台成功促进了骨骼肌的体外再生,并发现上述力学因素通过细胞骨架的聚合和排列、力敏感蛋白MRTF和YAP的出入核、核力学转导调控骨骼肌再生。结论本研究建立了体外三维力学微环境平台,揭示了黏弹性协同ECM结构促进骨骼肌再生的机制,拓展了骨骼肌组织体外再生的理论基础,为其他软组织提供了通用的结构和力学微环境构建方案,在制备生物医学应用的功能性软组织方面具有巨大潜力。

面向癫痫的神经元微环境动力学建模方法

癫痫是由大脑神经元超同步异常放电所引起的一种常见的慢性神经系统疾病。大量生理实验和神经计算建模研究表明,神经元异常放电是癫痫发作的电生理基础,而神经元微环境动力学改变是引起神经元结构和功能发生变化,进而刺激神经元异常放电,导致癫痫发作产生和发展的潜在原因。基于此,本文首先从影响神经元微环境改变的四个主要因素(离子浓度、能量代谢、神经递质和细胞体积)出发,分别就其动力学建模的神经机制和建模方法两方面进行系统阐述与分析,然后对未来可探索的研究方向进行展望,以期更加全面地了解该领域的发展动态和研究进展,为进一步研究癫痫异常放电模式的动力学本质以及癫痫发病的神经机制奠定良好的理论基础。

氯化钠、氯化镁侵蚀环境对水泥土力学性质影响试验研究

为了研究水泥土在氯化钠、氯化镁溶液侵蚀下的力学效应和侵蚀机理,设计进行了室内氯化钠和氯化镁两种溶液浸泡侵蚀试验。两种浸泡溶液浓度分别有0,1.5 g/L,3 g/L,6 g/L,浸泡时间为7 d,14 d及28 d,浸泡过程中对浸泡溶液的浓度进行定期取样、检测其离子浓度。对浸泡后的试件进行无侧限抗压强度试验,结合浸泡期间侵蚀溶液的离子浓度检测结果,从化学动力学的角度分析水泥土在这两种溶液中的受侵蚀机理。结果表明在浸泡过程中,钠离子、镁离子、氯离子的活跃度依次减小;氯离子的侵蚀效果主要取决于CaCl2·6H2O结晶的生成量;氯化镁溶液中,镁离子和氯离子共同对水泥土产生侵蚀作用,镁离子对水泥土的负面影响大于氯离子。

面向航天应用的行程开关耐力学环境设计方法探究

限位器又称行程开关,是一种常见的微电流控制设备,其主要功能是当外部力量作用于设备的操作杆时,内部机械结构会驱动接点,从而完成控制电路的接通或切断,以达到预期的操控效果。此开关的触点和触头之间采用弹性连接,这种连接方式在承受振动、冲击或持续加速等力学作用时会影响触点之间的接触稳定性。由于这一接触机制是微动开关实现电流转换的关键环节,因此,接触稳定性对于开关的性能至关重要。在探讨限位器的耐久性能时,必须深入研究接点系统的自振频率、振动响应幅值特性以及接触力等因素。在动态环境中,这些变量可能表现出非线性变化规律,通过深入研究可以更好地理解限位器在复杂环境下的工作性能,从而为其优化设计和提高耐久性提供理论支持。

航天器力学环境分析与条件设计研究进展

航天器力学环境条件是航天器及其部组件设计和地面试验验证的主要依据,直接影响着航天器的总体设计水平。随着我国航天事业的飞速发展,对航天器及其有效载荷的设计提出了越来越高的要求,而力学环境分析与条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高的瓶颈技术。本文重点针对航天器力学环境分析与条件设计技术所涉及的航天器力学环境预示理论方法,高精度有限元建模与模型修正技术以及航天器力学环境条件设计技术三个方面国内外研究进展进行了回顾,特别是对近五年来我国航天工业部门在航天器力学环境分析与条件设计领域取得的成就进行了综合评述。在此基础上,结合我国航天工程的实际需求,分析指出了今后在航天器力学环境分析与条件设计领域的主要研究方向。