基于Kelvin-Voigt模型的黏弹性岩体位移反分析唯一性研究

在岩土工程中,准确的岩体力学参数对于工程项目的建设和维护极为重要,相较于现场原位试验、实验室试验、数值模拟等获取参数的方法,岩体位移反分析方法具有方便操作、条件获取难度小、数据准确等特点,而反分析结果的唯一性是位移反分析能否成功的重要影响因素。为了研究位移反分析结果的唯一性问题,使用Laplace变换和蠕变柔量的方法,推导了在圆形巷道中符合Kelvin-Voigt模型的黏弹性岩体的位移解析解,并运用参数可辨识准则研究了已知参数对黏弹性岩体反分析唯一性的影响。研究结果表明,无论在任何条件下,都无法唯一地反演出所有6个参数,在至少有2个参数是已知的情况下,才可能唯一地反演出其他参数;地应力分量被唯一反演的概率最大,弹性模量、泊松比和黏滞系数根据控制条件的不同,其可辨识性存在差异,并随着已知参数数量的增加,参数可辨识性也随之增强;地应力是否为0对反演结果的唯一性有着显著的影响。工程算例表明,研究结果对于岩体参数的反分析计算具有重要的指导意义。

动脉粥样硬化实验兔血液滞后环、黏弹性、触变性研究以及脑基底动脉内皮细胞扫描电镜观察

目的检测动脉粥样硬化模型的滞后环、黏弹性、触变性等流变学指标,并进行脑基底动脉内腔面内皮细胞扫描电镜观察,以阐明动脉粥样硬化机理。方法设计了4个实验动物组:A组(对照组),B组(动脉粥样硬化组),C组(甘露醇干预组),D组(动脉粥样硬化+甘露醇干预组)。实验兔喂以高脂、高胆固醇食物,造成动脉粥样硬化模型。4组动物饲养到期后抽静脉血,采用上海航天局研制的HT流变仪,进行血液滞后环、黏弹性、触变性等流变学指标的检测。获取4组动物的脑基底动脉标本,继之进行其内腔面内皮细胞的扫描电镜观察。结果(1)与A组相比,B组的血液滞后环、黏弹性、触变性等多项流变学的指标,观察到有高调76%,促动脉粥样硬化方向的变化数据。(2)与A组相比,C组与D组的血液滞后环、黏弹性、触变性等多项流变学的指标,由于甘露醇的血液扩容作用,出现约50%的血液滞后环、黏弹性、触变性等流变学指标的低调变化。(3)脑基底动脉内腔面的内皮细胞扫描电镜观察展示:A组,表面平整,细胞呈长梭形,细胞长轴与血管长轴平行排列,细胞间连接紧密;B组,内膜内皮细胞高低不平,呈搓板状,细胞间的连接断断续续,部分内皮细胞肿胀隆起,表面微绒毛少而粗短;C组,内膜内皮细胞基本平整,但有少量非特异性损伤,部分内皮细胞隆起,如同卵石状态排列,示细胞的体积明显缩小;D组,具有B与C两组共有特点,内皮细胞排列比较紊乱,但基本上仍平行于血管的长轴,隐约可见一些接近正常的内皮细胞。结论(1)从血液滞后环角度,观察到正常人与正常兔子间有一定程度的区别。该文已成功制作动脉粥样硬化模型,应用甘露醇进行干预后血液滞后环有明显的变化。(2)从兔脑基底动脉内皮细胞扫描电镜观察展示,A组细胞具有健康性,但B组的细胞已受损。C、D两组的内皮细胞,既没有A组那么好,也没有B组那么坏,其形态学的观察处于A与B两组之间。(3)对动脉粥样硬化的防治策略而言,该文以高脂、高胆固醇食物造成了兔子动脉粥样硬化的模型,说明不利的饮食与营养可达到致动脉粥样硬化的早期损伤表现,这也影射出科学地设计饮食谱可以避免动脉粥样硬化的发生。(4)血液滞后环、黏弹性、触变性以及有关流变学指标,在各组间差异很大,通过血液可测出是否正常,如发现异常可进行科学的补液进行纠正,这对防治动脉粥样硬化以及心、脑血管病发生是值得的。

双动态共价键交联的光聚合水凝胶研究喉鳞癌细胞在不同黏弹性基底的增殖机制

目的头颈部鳞状细胞癌是全球第六大最常见的上皮性恶性肿瘤,在喉癌发展过程阶段中癌症组织的力学环境会发生变化,这种变化体现在细胞外基质的储存模量和松弛模量的明显改变上。具有不同黏弹性的水凝胶可以很好模拟癌症组织的力学环境,是研究肿瘤细胞的研究肿瘤细胞增殖机制的极佳基底材料。方法在明胶上接枝了硼苯酸与甲基丙烯酸酐,对结冷胶进行了不同程度的氧化,通过光交联方式制备了一种新型的双动态共价交联水凝胶。通过调节改性明胶与氧化结冷胶的组分,来控制水凝胶中动态亚胺键和动态硼酸键数量以产生不同黏弹性的水凝胶。使用核磁共振氢谱,红外光谱,SEM表征了水凝胶结构,测定了水凝胶的流变学特征,和应力松弛等机械特性。之后通过2D与3D的培养方式观察喉鳞癌细胞的表型差异,使用转录组测序与q PCR探究增殖机制。结果在不同的组分的水凝胶里,改性明胶的含量越高其储存模量越高,氧化结冷胶含量越高其损耗模量越高。在储存模量一定的前提下,损耗模量较高会显著促进喉鳞癌细胞增殖,Tgfβ表达量显著提升。结论双动态共价键水凝胶能够精确调节自身黏弹性,同时具有损耗模量的力学环境能够加快喉鳞癌细胞增殖。

基于有限体积法的光固化树脂黏弹性力学行为研究

光固化聚合物体系成分复杂,随时间变化的黏弹性力学行为具有不确定性.因此,以代表性光固化树脂中的聚氨酯丙烯酸树脂(polyurethane acrylate,PUA)为例,基于二阶位移展开有限体积法及分数阶黏弹性本构关系发展光固化树脂的力学模型.首先,根据边界条件确定胞元面的连续性条件和数值模型的总刚矩阵,显式计算所有胞元的未知面位移.为探究光固化树脂在不同应变率影响下的黏弹性力学行为,引入分数阶有限变形Kelvin-Voigt黏弹性力学模型,建立应力-应变之间的本构关系.然后,通过应变率分别为10^(-4),10^(-3),10^(-2)以及10 s^(-1)的单向拉伸试验完成本构模型中弹性项以及黏性项的参数识别.最后,开展不同应变率下的单向拉伸试验及数字图像散斑(digital image correlation,DIC)分析,评估数值模型的计算误差.结果表明,文章所建立的数值模型能有效预测不同应变率下光固化树脂的力学行为,并且平均预测误差仅为1.98%.

磁场下黏弹性基中输流纳米管的颤振失稳分析

基于非局部欧拉-伯努利梁模型,研究了外部轴向磁场作用下黏弹性基体中悬臂输流单层碳纳米管系统的动态失稳特性。黏弹性基体采用线性Kelvin-Voigt弹性基模型,利用哈密顿原理,建立该系统的振动微分方程及其边界条件。应用微分变换法求解该振动方程,着重研究不同质量比下,黏弹性基体、轴向磁场与小尺度效应共同影响时,该系统的颤振失稳特性。数值计算结果表明:黏弹性基体的弹性参数与外加轴向磁场的增加均能提高悬臂输流碳纳米管系统的稳定性,而小尺度系数的增加则降低系统稳定性。不同质量比下,黏弹性基体的阻尼系数对系统动态稳定性的影响不同。进一步研究表明,随着轴向磁场与基体弹性参数的共同增加,系统稳定性的提升并未呈现“协力效应”,而是各自的提升效果均有所减弱。

三维细胞培养系统黏弹性成像:采用结构化边界和混响波理论

目的水凝胶作为一种合成细胞外基质被广泛用于三维细胞培养。其力学性能,在调控细胞行为方面发挥重要作用,且随细胞培养而发生改变。因此,有必要建立一种简单实用、无污染的黏弹性成像方法。本文将基于混响波理论,对培养皿内凝胶的黏弹性,进行非接触测量。方法基于混响波理论的黏弹性测量,首要条件是在凝胶中激发了近似完全混响位移场,通过在常规的培养皿内放置一结构化边界(最多含56个圆柱,圆柱直径约为1/3.6波长),用于散射弹性波,激发混响位移场,并通过互相关系数进行定量其混响程度。其次,对位移场进行傅里叶变换,得到特征频率混响位移场。最后,对此位移场进行自相关计算,并拟合混响波理论计算波速和黏弹性。以上方法将在有限元模拟和实验中进行验证。结果有限元模拟结果显示,结构化边界中的散射体越多,互相关系数越小,位移场的混响程度越高,且理论反演的波速吻合有限元参数设定。分别对4%v/v,5%v/v,and 6%v/v浓度的凝胶进行黏弹性测量,并对其进行剪切流变仪测量,两种方法得到的剪切波波速一致。结论成功建立了一种基于混响波理论的黏弹性测量方法,下一步将进行细胞三维培养的力学生物学实验,进一步验证本方法的实用价值。

基于黏弹性边界的桩侧溶洞地震效应分析

为了探究岩溶发育地区桩侧溶洞-桩基共同体系的地震响应效应,基于黏弹性边界理论,采用有限单元法建立溶洞-桩基共同体系二维有限元数值计算模型,模拟了地震荷载下不同溶洞大小、溶洞位置以及桩径等情况桩顶位移的变化规律。结果表明:在地震时程作用期间内,桩身最大水平位移会随着埋深的增大不断减小,但溶洞附近桩身最大水平位移会出现增大现象;地震波加速度峰值越大、溶洞直径越大、溶洞桩基距离越小、溶洞距离地面越近、桩径越小等因素都会使桩基动力响应效应更为显著,导致桩顶位移峰值增大。

基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用

微生物是自然生态系统的重要组成部分,掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导.壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一,已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征.然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟,仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体.本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法,引入Squirmer微生物游动模型,研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题.首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式;并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应.研究结果表明,游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素.流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩,影响微生物的游动方向,从而阻碍微生物逃离壁面.微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长,几乎达到牛顿流体的两倍以上.

桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究

以地基土冻胀变形理论为基础,从桩基冻胀力与桩侧土体冻胀位移的关系出发,引入经典黏弹性力学理论及Mindlin半空间作用集中力的弹性解,从理论上导出了桩基冻胀力三维黏弹性问题的积分方程表达式。运用单纯形法将室内实测蠕变数据反演得到三参量模型系数,并通过已有文献中现场实测数据拟合得到土体冻结深度、自由冻胀量,以及桩基冻拔位移随时间的函数,用于桩基冻胀力的理论计算。数值算例表明,按上述推导的桩基冻胀力三维黏弹性表达式计算的冻胀力沿深度分布规律与已有计算结果吻合较好。首次以理论的方法得到了桩基冻胀力的"时空分布"三维曲面,能较直观地反映冻胀力的分布规律。

黏弹性地基中基坑开挖对邻近桩基变形影响的时域解

目前就软土基坑开挖卸荷对邻近桩基变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,很少考虑时间效应对桩-土相互作用的影响,但实际工程中软土在开挖情况下具有较为明显的流变效应。从地基黏弹性角度出发,采用两阶段法研究了黏弹性地基中基坑开挖与邻近桩基相互作用的时域问题。第1阶段基于Boltzmann黏弹性模型推导出Mindlin时域解,用于分析黏弹性地基中基坑开挖引起的邻近桩基处的土体附加应力;第2阶段采用Pasternak地基模型分析桩基与黏弹性土体之间的相互作用,并求得考虑流变效应的桩基水平变形的简化时域解。最后,采用大型有限差分软件对相关工况进行数值模拟,并将数值模拟结果与简化时域解进行对比分析,得到了较好的一致性。此外,也针对Boltzmann黏弹性模型参数(体积模量、剪切模量、黏性系数)、桩径、基坑开挖深度、桩与基坑间距和基坑开挖尺寸进行了影响因素分析。分析结果表明,所得出的简化时域解能较好地反映基坑开挖对邻近桩基水平变形的影响,以及桩基变形随时间的发展趋势,可为相关实际工程提供一定理论依据。

黏弹性胶粘涂层-基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性

研究黏弹性胶粘涂层/基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性。考虑涂层及基底的黏弹性,在频域中建立环氧树脂涂层/铝基底、环氧树脂涂层/铜基底、环氧树脂涂层/泡沫基底等结构中激光激发类瑞利波的有限元数值模型,研究类瑞利波的波形及传播特性,并分析环氧树脂涂层的透明性、厚度、黏性与基底的黏性对类瑞利波传播特性的影响,在此基础上,结合理论计算的色散与衰减曲线进行验证。研究结果表明,涂层的黏性引起类瑞利波高频成分的衰减,而对低频成分没有影响;基底的黏性对类瑞利波的高频与低频成分的衰减均有影响,其中对低频成分影响较大,此外,类瑞利波的模式及频散特性与基底材料密切相关。本研究为反演黏弹性胶粘涂层/基底结构的力学参数及评估结构的粘接质量提供理论指导。

Kelvin-Voigt黏弹性介质井孔声场有限差分数值模拟与波形特征

岩石介质具有黏滞性,黏弹性介质模型相对于弹性介质模型更为接近岩石介质的真实情况。根据Kelvin-Voigt黏弹性单元体模型本构关系,推导了柱坐标系下各向同性黏弹性介质时间域交错网格有限差分方程,进行了黏弹性介质井孔声场的数值模拟。模拟结果表明:品质因子和声源中心频率对黏弹性介质中的井内外声场均有影响:井外声场和井内声场的衰减均随品质因子的增大而减小,井外声波和井内反射波振幅随之增大;井外声场的衰减随声源中心频率的增大而减小,井外声波振幅随之增大,井内声场的衰减随声源中心频率的增大而增大,井内反射波振幅随之减小。

桩顶固定且部分桩体埋入黏弹性地基中时桩的自振特性分析

将回传射线矩阵法推广至桩土系统的振动分析中,采用基于Timoshenko梁理论的Winkler地基模型,运用回传射线矩阵法及求根法求解桩顶固定且部分桩体埋入弹性地基中时桩的自振特性,并与基于有限元分析软件SAP2000的计算结果比较,验证利用回传射线矩阵法求解埋置结构自振特性的有效性和计算精度。同时,分析桩顶固定且部分桩体埋入黏弹性地基中时土体弹簧系数及土体阻尼系数对桩基自振频率和振型的影响。结果表明:随着土体弹簧系数的增大,埋置结构的各阶自振频率增大,土体弹簧系数对衰减系数没有影响,对埋置结构振型的影响较小;随着土体阻尼系数的减小,埋置结构的各阶自振频率增大,衰减系数相应减小,土体阻尼系数对埋置结构的低阶振型影响尤为明显,对高阶振型的影响较小。

基于分数阶黏弹性地基模型的群桩时效行为研究

基于有限单元法,将群桩划分为有限个2节点单元,从而构建了竖向受荷群桩的有限元求解方程;为了模拟饱和软黏土的流变特性,通过Laplace变换,推导了分数阶导数Merchant模型中的应力–应变关系;引入弹性-黏弹性对应原理,得到横观各向同性分数阶黏弹性饱和软土地基的边界元解答;考虑桩-土界面处的位移协调,将群桩有限元求解方程和地基边界元解答进行耦合,推导出群桩-土相互作用方程;再根据群桩承台的位移协调条件,求解得到群桩基础状态量的时变解答;基于以上理论,设计了数值算例,以验证方法的正确性,并分析了分数阶次对群桩时效行为的影响。

黏弹性基底上阻尼碳纳米管的动力学特性

采用欧拉梁模型建立了有阻尼碳纳米管在黏弹性基底上的动力学问题分析模型。通过引入非局部理论、广义Maxwell黏弹性模型、速度相依的外阻尼模型及黏弹性基底模型推导出碳纳米管动力学分析的欧拉梁振动控制方程。在Kelvin-Voigt黏弹性模型基础上,分别给出无基底和全基底支撑时碳纳米管固有频率的一般解析表达式,并分析讨论全基底时的多种典型情况。然后利用传递函数方法求解出一般边界条件下振动控制方程的封闭解。以某单壁碳纳米管为例,得到不同边界条件下该单壁碳纳米管的前四阶固有频率,并分析了碳纳米管非局部参数、黏弹性参数、基底刚度及长度等影响因素对固有频率和阻尼因子的影响情况。结果表明,文中所建的动力学分析模型及计算方法对解决碳纳米管在黏弹性基底上的动力学问题准确有效。

去细胞真皮基质的黏弹性研究

目的通过对比分析皮肤的物理参数值评价去细胞真皮基质的黏弹性性质。方法将清洁级日本大耳白兔背部皮肤进行3种不同的创面处理,分别为薄自体皮加上去细胞真皮基质移植到创面组(PADM组)、薄自体皮原位回植组(TS组)、正常皮肤真皮组(NS组)。对该3组皮片进行应力-应变关系的实验。结果从PADM、TS、NS 3组皮肤的应力松弛曲线、蠕变曲线和应力-应变关系曲线可知,在一定应力下,PADM组的应变最小,NS组的应变最大,TS组居于两者之间。结论皮肤的黏弹性力学模型是4参量黏弹性模型。用去细胞真皮基质作为皮肤替代物移植到皮肤创面后,该植皮的弹性较差,变形后的恢复能力也较差,与临床结果相符合。

与黏弹性地基相互作用的单桩的自振特性分析

将回传射线矩阵法推广至桩土系统的振动分析中,利用MATLAB语言编程,借助求根法对二维复数超越方 程进行迭代求解,通过数值算例,对比分析黏弹性地基中桩的外露长度、埋置深度、桩端约束情况对自振频率、衰减系 数和模态的影响。结果表明:随着外露长度越长,埋置结构的各阶自振频率和衰减系数越小;随着埋置深度越深,埋置 结构的各阶自振频率越小,衰减系数越大;埋置部分的横向位移明显小于外露部分的横向位移;桩顶固定边界下单桩 的各阶自振频率最大,桩顶自由边界下单桩的各阶衰减系数最小;桩顶自由工况下单桩各阶振型峰值相对其在桩顶铰 接和桩顶固定工况下的振型峰值较小。

层状异性流变地层桩基长时位移的理论预测

针对层状异性流变地层中桩基长时沉降位移预测计算难题,基于荷载传递模式、Poyting-Thomson模型和土体一维虚拟结构等效模型,建立了该类地层中桩基承载模式判别以及桩基服役全过程长时沉降位移的理论预测方法。研究了稳定蠕变地层桩基承载模式演变及其沉降位移时效特性。结果表明:摩擦承载状态下桩基沉降呈现瞬态弹性;土体的层状异性特型导致桩体压缩变形具有明显的台阶突变;摩擦+桩端共同承载时,桩基总体位移等于桩体形变位移和桩端沉降位移的叠加,具有显著时效特性并随时间逐步趋于稳定。

基于超分子技术的高密度无黏土油基钻井液体系

基于超分子原理，研制了用于油基钻井液的提切剂CFZTQ-1，以此为核心开发了新型高密度无黏土油基钻井液体系，并对其进行了性能评价和现场应用。研究表明CFZTQ-1在水相中缔合形成的超分子结构显著增加了反相乳液的弹性，提切效果与助悬浮性能均优于国外几种同类提切剂，且CFZTQ-1与有机土之间存在协同增效作用，同时适用于常规含土油包水钻井液。通过对相关处理剂的优选与加量优化，确定了高密度无黏土油基钻井液体系的配方，对其进行了基本性能评价，结果表明：体系密度在2．20～2．60g／cm3，动切力在13～17Pa，且表观黏度适中，塑性黏度不高，流变性能良好；体系在240℃高温热滚后黏度涨幅不大，高温高压滤失量在10mL左右，破乳电压大于400V，性能稳定。体系现场应用效果良好。

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水(CD)条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。