Cell polarization energy and its implications for cell migration

Cells usually have a polarized shape in directional cell migration. This cell polarity may result from external cues, such as a gradient of chemo-attractants (chemotaxis), or a gradient of mechanical properties of substrate (durotaxis), and it can also arise from internal cues so that the cells self-polarize spontaneously and maintain the polar motile state for a long time. However, the mechanisms that control cell polarization have not been fully understood, and particularly, the relationship between the polarized shape and cell migration behaviors is not yet clear. In this study, we propose an energy model to study the cell polarization energy by considering the effect of matrix rigidity, cell shape, and organization of the cytoskeleton. We then propose a parameter called “motility factor” for depicting the relationship between the cell shape and the driving force of cell migration. We demonstrate that the fibroblast-like cell shape and keratocyte-like shape both have an optimal polarization angle corresponding to the most stable cell shape. Fibroblast-like cell shape also has an optimal tail length of the polarization. Furthermore, we find that the cell free energy biphasically depends on the matrix rigidity, i.e. that there is an optimum matrix rigidity for the most stable shape. And the motility factor also biphasically depends on the matrix rigidity, but the trends of the dependence are opposite to that of cell's free energy, which implies an optimum matrix rigidity for the highest speed. The optimum matrix rigidity for the most stable cell shape and that for the highest cell speed are consistent, suggesting that the most stable cell shape is favorable to the fastest cell migration. This study provides important insights into the relationship between cell polarization shape and cell migration behaviors.     

光滑节点插值法:计算固有频率下界值的新方法

将光滑节点插值法用于悬臂梁的静力学,并首次用于旋转柔性梁的频率分析. 采用梯度光滑技术,用线性插值形函数描述梁的位移场,求解4 阶微分方程. 在静力学分析中,将该方法所得梁中各点位移与假设模态法、有限元法及解析解的结果对比,可知该方法虽用简单的线性插值形函数描述梁的位移场,但精度却很高. 进一步研究表明,采用模态高于9 阶的假设模态法会使刚度阵条件数变差,导致结果发散. 在频率分析中,与有限元法、假设模态法和解析解对比,表明该方法一个重要特性:能提供固有频率的下界值,而有限元法和假设模态法只能提供固有频率的上界值,说明该方法结合有限元法在处理无解析解的问题时可以从上下界最大程度的逼近真实解,提高精度. 光滑节点插值法具有形函数结构简单、独立变量少且能提供固有频率下界值的特性,因此,具有较高的推广及应用价值.      

EVALUATION ON STRESS INTENSITY FACTOR OF CRACK UNDER DYNAMIC LOAD USING NUMERICAL MANIFOLD METHOD

相较于传统有限元,数值流形方法（numerical manifold method, NMM） 的一个显著优点是在处理裂纹问题时网格无需与裂纹重合,这就方便了岩体破坏过程的模拟. 基于包含裂尖增强函数的NMM,采用Newmark 隐式动力学算法进行时间积分,重点研究了动力载荷条件下裂纹动态应力强度因子（dynamic stress intensity factor,DSIF） 的求解方法. 针对典型的线弹性动力裂纹问题,给出了NMM 的数值算例. 结果表明NMM 能够准确计算动载荷条件下裂纹的DSIF,并且具有较好的收敛性.     

动载下裂纹应力强度因子计算的数值流形元法

相较于传统有限元,数值流形方法（numerical manifold method, NMM） 的一个显著优点是在处理裂纹问题时网格无需与裂纹重合,这就方便了岩体破坏过程的模拟. 基于包含裂尖增强函数的NMM,采用Newmark 隐式动力学算法进行时间积分,重点研究了动力载荷条件下裂纹动态应力强度因子（dynamic stress intensity factor,DSIF） 的求解方法. 针对典型的线弹性动力裂纹问题,给出了NMM 的数值算例. 结果表明NMM 能够准确计算动载荷条件下裂纹的DSIF,并且具有较好的收敛性.      

二维翼型亚临界定常流动的有限元计算

本文使用了曲四边形Ｈｅｒｍｉｔｅ等参元，通过变分有限元法，计算了二维翼型亚临界定常位势流动中的压力分布，数值计算结果与试验结果符合较好。文中还使用了有限元法中的局部线性化理论，插值出元素中心点密度去处理迭代过程中元素系数阵的计算，其结果与通常的有限元法计算相一致，但计算时间却大大减少了。     

蠕变压痕实验的计算机模拟

采用有限元的方法对双相材料的蠕变压痕实验进行了数值模拟，在有限元数值解的基础上，定义了相应于传统单轴蠕变实验的“等效应力”和“等效应变”，建立了蠕变压痕实验同传统单轴蠕变实验之间的关系，给出了确定薄膜蠕变应力指数和蠕变常数的方法；同时数值解的结果表明，实验中通过控制压痕深度不超过薄膜厚度的 ５％～１０％，忽略基体的硬化指数对确定薄膜性能的影响存在一定的误差，但基体的弹性模量对确定薄膜的蠕变性能影响不大。     

A cell‐based smoothed finite element method with semi‐implicit CBS procedures for incompressible laminar viscous flows

In this paper, the cell‐based smoothed finite element method (CS‐FEM) with the semi‐implicit characteristic‐based split (CBS) scheme (CBS/CS‐FEM) is proposed for computational fluid dynamics. The 3‐node triangular (T3) element and 4‐node quadrilateral (Q4) element are used for present CBS/CS‐FEM for two‐dimensional flows. The 8‐node hexahedral element (H8) is used for three‐dimensional flows. Two types of CS‐FEM are implemented in this paper. One is standard CS‐FEM with quadrilateral gradient smoothing cells for Q4 element and hexahedron cells for H8 element. Another is called as n‐sided CS‐FEM (nCS‐FEM) whose gradient smoothing cells are triangles for Q4 element and pyramids for H8 element. To verify the proposed methods, benchmarking problems are tested for two‐dimensional and three‐dimensional flows. The benchmarks show that CBS/CS‐FEM and CBS/nCS‐FEM are capable to solve incompressible laminar flow and can produce reliable results for both steady and unsteady flows. The proposed CBS/CS‐FEM method has merits on better robustness against distorted mesh with only slight more computation time and without losing accuracy, which is important for problems with heavy mesh distortion. The blood flow in carotid bifurcation is also simulated to show capabilities of proposed methods for realistic and complicated flow problems.     

激光加热金属薄膜的热弹性研究

基于电子-声子相互作用的双曲两步热传导模型的超快热弹性理论,计及晶格的热传导效应,利用有限元方法研究了无限大金属薄膜在短暂激光冲击下诱导的位移、应力、应变和温度等物理量的演化特点,与已有文献比较,说明该方法的合理性与正确性.比较了计及电子热爆发力与不计电子热爆发力对位移、应力等物理量的影响,说明计及电子热爆发力的必要性...     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

强夯加固机理的非线性动态冲击显式有限元数值分析

根据强夯的特点,采用同时考虑几何非线性、材料非线性、状态非线性,并且考虑瞬态大变形的非线性动态显式有限元,分析了强夯对地基土的冲击碰撞过程。该方法克服了以往有限元计算强夯动力问题时需再引入其他的简化假定的已知量,能较实际地反映强夯加固的动力特性。通过对工程实例计算研究,取得了令人满意的效果。     

沉管隧道横向动力响应分析的多体动力学方法

沉管隧道横向地震响应分析是沉管隧道结构抗震设计的重点.根据沉管隧道的结构特点和接头剪力键的节点构造,建立了沉管隧道的多刚体-剪切铰-黏性阻尼铰多体动力学模型,并应用多体动力学中的离散时间传递矩阵法(multibody system discrete time transfer matriX method,MS—DT-TMM)建立了数学模型及表达式,同时编写Matlab程序进行求解实现.设定算例分别采用MS—DT—TMM和传统有限元法(finite element method,FEM)对沉管隧道横向地震响应进行对比分析,两者吻合较好,表明MS—DT-TMM应用于沉管隧道横向动力响应分析的可行性和有效性.     

无网格与有限元的耦合在动态断裂研究中的应用

提出将无网格Galerkin法与有限元耦合的方法用于分析动态裂纹扩展问题,只在裂尖附近区域沿裂纹扩展方向布置无网格结点,而在其他区域采用一般的有限元,区域交界处的结点采用MLS方法插值,然后将求得的结点值再分配到有限单元的相关结点上,保证了无网格区域和有限元区域的交界处位移的连续。避免了网格的再生成,同时也克服了单纯使用无网格Galerkin法所带来的边界条件难处理及计算效率较低的缺点。数值算例显示这种方法是有效的。     

THEORETICAL INVESTIGATION ON THE DYNAMIC PERFORMANCE OF CMUT FOR DESIGN OPTIMIZATION

Although many modeling approaches exist for analyzing the behavior of capacitive micro-machined ultrasonic transducers(CMUTs),the relation equation between the design parameters with input and output is still lacking.What there is can only be used to analyze the dynamic performance of CMUT indirectly and qualitatively,such as stiffness and sound pressure.A lumped-parameter theoretical model based on the dynamic theory is proposed in this paper.The relation equations between the design parameters with inputs and outputs are given.The results obtained by the proposed model agree well with those by finite element method(FEM)simulation.The dynamic and static behavior of CMUT can be clearly depicted,which is helpful for design and optimization iterations.This shows that the proposed model makes it easier to optimize the parameters of a CMUT with respect to output and bandwidth directly and to better understand the influence of each parameter.     

膜-基复合材料界面剪应力分析的影响系数法

提出了一种计算膜 基复合材料界面剪应力的新方法。将薄膜、基体分别作为二维和三维问题进行有限元计算 ,利用影响系数 ,以剪应力为未知量 ,求出同一点处薄膜、基体的位移。通过薄膜、基体在界面上位移相等的条件建立线性方程组 ,联立求解 ,计算出界面剪应力。结果表明 ,本文提出的方法思路清晰 ,易于实现 ,精度令人满意 ,为膜 基复合材料结构强度分析提供了一种新的途径     

A SIMPLIFIED CALCULATING METHOD OF NONLINEAR FREQUENCY OF CABLE NET UNDER MEAN WIND LOAD

The cable net supported glass curtain wallas the most advanced technique in dot point supported glass curtain wall, is widely used in China. Because of its large deflection and high nonlinearity under wind load, the dynamic performance of the cable net is greatly different from that of the conventional linear structures. The continuous membrane theory is used to construct the nonlinear vibration differential equation of the cable net, and the harmonic balance method is used to solve the analytic formula of the nonlinear frequency. In order to verify the accuracy of the above analytic formula, the results of the formula and the nonlinear FEM time-history method are compared and found to be in good agreement. Furthermore, the nonlinear vibration differential equation and the nonlinear frequency obtained in this paper are the basis for the wind-induced response analysis of a cable net under fluctuating wind load.     

大转动曲边柱壳非线性3-D动力学建模及分析

对曲边柱壳受轴向非均匀内压作用下的大转动几何非线性3-D动力学行为进行了研究.基于Nayfeh and Pai[1]非线性壳体理论,给出了考虑几何非线性的3-D混合型（含内力与位移）动力学模型.为了克服该强非线性模型难以求解的问题,依据分析获得的结构静动态变形关系,采用Lagrange方程推导建立了基于结构静态解的曲边柱壳多自由度3-D动力学方程,并对其进行了线性化与降阶处理,结合差分法获得了一套高效的求解算法.与LS-DYNA有限元结果的吻合,验证了本文方法的正确性.最后分析了单元数和计算时间步分别对有限元模型和本文方法的影响,发现求解精度随着计算时间步的减小不断提高直至趋于稳定.同时对采用本文方法获得的曲边柱壳动态变形模式的分析表明:结构动态响应与其所受内压载荷沿轴向的分布形式关系紧密,可以通过改变或者设计内压轴向分布形式来影响以及控制结构的动态变形模式,从而应用于曲边柱壳结构设计及优化的工程实际中.     

二维高亚音速Laval喷管流场的有限元计算

本文使用了八节点曲四边形等参元，通过变分有限元法，对二维高亚音速Ｌａｖａｌ喷管位势流场进行了计算，结果是满意的，并和一维结果进行了对比。文中还使用了有限元法特有的局部线化理论，取单元中心点密度去处理迭代过程中单元系数阵的计算，其结果与通常的有限元法计算相一致，但计算时间却大大减少了。     

径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用

将无网格径向基点插值法用于旋转柔性梁的动力学分析. 利用无网格方法对柔性梁的变形场进行离散,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 将无网格径向基点插值法的仿真结果有限元法和假设模态法进行比较分析,说明假设模态法的局限性,并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性,并讨论了径向基形状参数的影响. 同时运用3 种求解系统动力学方程的方法:纽马克方法、4阶龙格库塔法、亚当姆斯预报校正法,并比较各方法的计算效率, 结果表明纽马克方法最快.      

双边切口薄板小试件动态弹塑性有限元分析

对［１］中采用的双边切口薄板小试件进行了动态弹塑性有限元分析，计算了动态积分，研究论证了积分作为该试验系统试件裂端表征参量的可行性；对深裂纹Ｒｉｃｅ公式计算动态积分的有效性进行了验证。为文［１］提出的平面应力型动态弹塑性起裂韧度的表征与测试方法提供了进一步的论证。