脉搏波本构关系实验研究的探索

脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系，以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系，是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径:(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析（无创法）；(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测（有创法）；(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析（无创法）。采用上述方法，根据现有文献数据，发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系；由MK-Hughes式可推得对数型p(V)本构关系。脉搏波传播特性随非线性本构参数发生显著变化。按中医体质分类观点，相应的脉搏波本构关系原则上也有不同类型，因人而定。在这个意义上，脉搏波的Lagrange反分析具有广阔发展前景，但它对正确选择测点和提高测量敏感性和精度等方面提出了更高要求。     

论心脏功能的“泵说”与“波说”

分析了心脏功能的“泵说”和“波说”。研究表明,心脏扮演的角色实际上不是泵,而是脉搏波发生器,产生一系列携带能量的脉搏波。每个脉搏波由升支和降支组成。前者对应于加载过程:压力、粒子速度、能量和血氧饱和度均随时间升高。而后者则对应于卸载过程:压力、粒子速度、能量以及血氧饱和度都下降,直至为零。因此,“泵说”中诸如Windkessel效应、一机二泵和舒张泵等概念都难以成立。所谓约1.5 W的心脏功率实质上表征了每个脉搏波的功率。针对脉搏波是流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波之特征,研究表明,能量的主要部分(99.99%)由横波携带,它沿固体血管传播,损耗低,效率高。研究还表明,血管分支处广义波阻抗的增大有助于抵消脉搏波传播中的衰减耗散,升高传入血管分支的脉搏波脉压,可视为人体的一种自我调节机制。     

血液-血管耦合特性与脉搏波传播特性的关系

脉搏波既不可简单地理解为可压缩血液流体中的压力纵波,也不可简单地理解为沿固体血管传播的涨缩位移横波,而是超乎普通想象的流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波。从分析耦合本构关系的新途径出发,本文中提出了一个流-固耦合/纵波-横波耦合的串联模型,可为解读“位数形势”中医脉诊提供更丰富的信息。结果表明,脉搏波耦合系统的等效体积压缩模量K_s以及相应的耦合系统脉搏波传播速度c_s主要依赖于两个无量纲参数:血液-血管模量比K_b(p)/E(p)和薄壁血管径厚比D(p)/h₀,它们因人而异、因人的不同脉搏位置而异。文中定量分析了它们对c_s的影响,显示人体的K_b/E值在103数量级,从而c_s值在100～101 m/s数量级,以适应人体生理生化反应。由临床有创测量,证实脉搏体积横波与脉搏压力纵波是相耦合地以相同速度传播;还显示脉搏波是在其波阵面上具有氧合生化反应的“生物波”。此外,还讨论了“脉压放大”现象与非线性本构关系和与血管分叉处加载增强反射之间的关系,并讨论了Lewis关于重搏波形成的假设。     

脉搏波系统的力学模型及反演兼对若干中医学问题的讨论

对脉搏波进行客观化定量研究,是我们面临的跨中医与西医、跨医学与数理学科的新挑战,是中国传统医学现代化发展的重点研究课题之一.本文遵循中医整体观点的传统思路,把脉搏波系统理解为生命能量以波的形式在血液中传播的整个系统,从连续介质力学的波动理论出发,为脉搏波系统建立一个等价的力学模型,并把力学反演方法推广发展到脉搏波.指出脉搏波是压力波P（X,t）,质点速度波v（X,t）、比容波V（X,t）和内能波E（X,t）这些不同形式波动的总成.脉搏现象包含着血液的流动和在血液中以远快于血液流速之波速传播的携带能量的脉搏波.前者是人眼易见的实体血液的“物质流”,而后者是人眼不易见、以波的形式传播的“能量流”,可分别理解为中医的“血”和“气”.脉搏波的传播特性由反映生命体整体系统的本构方程决定,就其重要性和地位而言,系统本构方程与中医的体质相当,应探索其内在联系.初步讨论了脉搏波系统本构关系非线性效应和黏性效应对脉搏波特性的影响.      

花岗岩体中应力波传播计算的动态本构关系

在花岗岩体的弹性区域,对实测径向质点速度波形运用Lagrangian分析方法,得到了球面应力波传播的加载速率相关的应力应变关系曲线。由速率相关本构关系所作的计算结果表明,它能较正确地描述岩石中球面应力波传播过程中所体现的主要特征,即应力波峰值衰减指数大于1和波形剖面的展宽。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

激光热弹激励流-固泄漏Lamb波的有限元模拟

根据变分原理,得到热弹体运动方程和热传导方程相对应的有限元方程. 通过数值积分方法求解有限元方程,得到脉冲激光线源在水/铝、空气/铝这两种流-固界面上热弹激励的泄漏Lamb波瞬态波形. 计算结果表明,泄漏Lamb波不但存在于液-固界面,而且存在于气-固界面;和Lamb波相反,泄漏Lamb波的S_0模态是反对称的,而A_0模态是对称的;但由于这两种流-固界面的性质差异导致泄漏Lamb波的波形和幅度不同.      

圆管流动水击压力波测量及水力计算

为探索水击现象的物理过程和机理,研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置,并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。用12只扩散硅压力传感器测定圆管流动水击压力波瞬态分布及最大、最小压力值,由试验数据拟合出水击波波形,揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。通过分析随机捕捉测量技术方法,理论上推断出测量数据达到可信精度。在归纳分析试验数据基础上,得出最大压力随关阀时间的关系曲线,对圆管流动直接水击等概念进行了探讨,用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。     

线状脉冲激光激发双层圆柱的波传播

该文建立了一个物理模型来预测均匀、各向同性双层固体圆柱在激光烧蚀或热弹激发下的弹性波传播规律.在建模中忽略了激光源的光学穿透和材料的热扩散.采用空间和时间上的双重傅氏变换对理论模型进行求解,得到其位移场的变换解.通过对铝壳铜芯和铜壳铝芯的数值计算,得到不同内外径比下瞬态位移响应的时域和频域数值波形.用传播路径分析发现结果中存在界面反射波,这可以表明所建立的理沦模型和计算方法是有效的,同时其余波的传播也被分析和解释.     

冲击波绕过外凸壁面后物理参数的简化计算

冲击波在折转角为的斜坡上绕射时,由于外凸壁面的影响,在壁面附近形成了一个多波作用的复合区,准确地确定各区中的物理参数无论是在理论分析上还是在实际应用方面都是非常有意义的。但是,对于这样一个多波作用的复合区,欲准确求解各区中之物理参数,乃是相当复杂的。本文提出了一种求解的简化计算方法,经上机计算,其计算值与实测值相当吻合。谨供从事爆炸力学研究的同行参考。     

损伤介质中波传播特性的研究

本文研究了弹性波在损伤介质中传播的基本理论,建立了基本动力学方程式,并根据其边界条件和连续性条件求得末端接收波位移的时域曲线。接收波则综合携带了损伤介质内部特性信息,可通过这些信息研究损失介质损坏的程度及位置。通过实例计算,定量地分析了结构内部损伤度、损伤位置和损伤区域大小对接收波幅值和波到达时间的影响。通过分析可知损伤对波传播的影响较大;并且可以根据给定的曲线图,直接由测得的接收波峰值及到达时间探测到结构内部损伤大小与分布。这为无损检测的定量化反分析提供了可靠的依据。     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

炸药多点起爆超高速光电分幅摄影技术研究

为获得炸药多点起爆的爆轰波传播过程精细细节,研究相适应的超高速光电分幅摄影技术,采用自主研制的超高速光电分幅相机,结合有机玻璃光快门,拍摄到以HMX和以TATB为基的塑料粘结炸药在三点同步起爆条件下纳秒时间分辨爆轰波发展高清晰序列图像,成功观察到爆轰波的整个传播及相互作用过程,捕获到内聚相互作用、马赫杆等波形细节结构。实验结果表明:超高速光电分幅摄影技术基于独立曝光模式,且具有曝光时间短、幅间隔连续可调、空间分辨高等优势,可精细观察到爆轰波传播、相互作用细节信息,该实验方法及其结果对于爆轰波相互作用及爆轰波马赫反射等问题研究具有一定的参考价值。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

空穴的绕射隔离效应和对后方应力波的削弱作用

以新型抗爆工程设计为背景,以改进的有限差分软件Renewto为手段,对含空穴的混凝土介质中应力波的衰减机制和演化规律进行了二维数值分析,通过改变空穴的位置和特征尺度等参数来考察空穴后方应力波的强度衰减及波形演化,从而对应力波传播中的空穴隔离效应进行了分析和讨论。结果表明,适当调整空穴的位置、尺寸等因素,可以在其后方明显减弱冲击波。还以计算结果为基础提出了一个应力削弱因子的拟合公式,为在抗爆防震工程中设计科学智能的防护层提供了一定的理论依据。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

孤立波与半无限复合材料体耦合作用研究

基于一维颗粒链中产生的高度非线性孤立波,研究孤立波与半无限复合材料体的耦合作用。根据赫兹定律推导了一维颗粒链中颗粒间相互作用的运动微分方程,建立了颗粒链与半无限复合材料体的接触模型。对于颗粒与复合材料的接触,采用已有文献中修正后的赫兹定律,研究了高度非线性孤立波与半无限复合材料体的耦合力学作用机理,推导了颗粒链与半无限复合材料体的相互耦合运动微分方程组,通过数值计算,得到了各颗粒的内力、速度、位移曲线。分析了材料属性对回弹孤立波出现的时间、幅值的影响。结果表明:随着纤维方向弹性模量的增大,次级回弹波出现的时间和波幅都逐渐增大,随着垂直纤维方向弹性模量的增大,次级回弹波出现的时间先减小后增大,次级回弹波的幅值逐渐减小直至消失。     

动态存储方法在气相爆轰波数值模拟中的应用

为减少反应流计算花费的时间,采用动态存储建立热力学数据表（In situ adaptive tabulation, ISAT）的方法来取代反应流计算中化学反应的直接积分（Direct integral, DI）,并针对气相H2/O2爆轰波的传播过程进行了数值模拟。采用两种不同的ISAT误差放大判据对一维爆轰波的压力、温度及组分变化进行了计算,并和DI的结果进行了比较以考察其计算精度。此外,还探讨了ISAT方法的效率。计算结果表明,和DI方法相比,在爆轰波传播计算中ISAT方法计算误差小于3％,化学反应计算速度提高了8倍。     

离散元法在求解三维冲击动力学问题中的应用

提出了三维连结型离散模型,建立了可实现连结型模型(用于连续介质)-接触型模型(用于非连续介质)转化的三维离散元计算程序,用来模拟连续介质转变为非连续介质的力学过程．利用该计算程序对冲击载荷下混凝土块体内(连续体情况下)的应力波传播过程进行了数值模拟．将计算结果的数值与LS-DYNA程序计算的结果进行比较,验证了该计算程序的计算精度．在此基础上,模拟了混凝土块体的动态破坏(连续介质向非连续介质转化)过程．其计算结果可用动画显示,得到的破坏形式与由实验得到的破坏形式相近．两个算例说明该离散元模型及其计算程序是模拟计算伴随有连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具．