基于瑞利波光学相干断层扫描的非均质生物组织弹性测试技术

生物组织的弹性可以为病理生理学的研究和疾病的诊疗提供重要信息,然而目前对结构复杂的生物组织各成分的弹性模量进行定量表征的技术较为匮乏。本文研究了基于瑞利波加载和光学相干断层扫描(OCT)对非均质生物组织的弹性进行定量测试的技术,提出了利用OCT探测瑞利波速度的实验技术和相位分析方法,进而通过瑞利波速度与介质弹性的关系获得了被测物体的弹性模量。结合瑞利波在分层介质中传播的频散特性,对分层仿体不同层的弹性进行了测试。将测得的仿体各成分的弹性模量与各成分单独的拉伸实验结果进行了比较,两种测试结果吻合较好,证明了基于瑞利波加载和OCT对分层生物组织弹性定量测试的可行性。本研究提出的瑞利波OCT弹性测试技术为非均质生物组织的弹性定量表征提供了简单有效的手段,具有应用于在体皮肤弹性测试的潜力。     

应用超声多普勒对软组织弹性成像的研究

超声弹性估计与成像有可能成为生物软组织病变诊断的新技术。本言语提出采用仿体外加低频振动与超声多普勒检测及成像相结合的方法,对均匀及非均匀仿体进行声弹性成像,以波动方程和彩色超声多普勒成像为基础,给出了组织振动幅度、速度和调制参数β的估算公式。初步的仿体实验结果表明软组织振动公式与超声弹性图吻合得很好,超声弹性成像比传统Ｂ超更分弹性模量变化垢区域。这些研究圣字位与诊断声阻抗及声散射特性差异不明显的小     

基于超声散射元平均间距的生物软件组织弹性测量

超声弹性成像有希望成为生物软组织病变诊断的有效手段，本文论述了软组织散射元准周期规则分布导致超声散射信号相干峰产生的机理，提出利用AR幅度倒谱估计散射元平均间距及其变化，结合组织外加应力来估计软组织内局部杨氏弹性模量，结果表明，该方法能有效地测量软组织内局部杨氏弹性模量，轴向和侧向空间分辨力分别为2.5mm和1.5mm，可用于在体软组织弹性成像，最后讨论了软组织弹性测量中的具体问题。     

基于超声散射元平均间距的生物软组织弹性测量

超声弹性成像有希望成为生物软组织病变诊断的有效手段。本文论述了软组织散射元准周期规则分布导致超声散射信号相干峰产生的机理，提出利用ＡＲ幅度倒谱估计散射元平均间距及其变化，结合组织外加应力来估计软组织内局部杨氏弹性模量。结果表明，该方法能有效地测量软组织内局部杨氏弹性模量，轴向和侧向空间分辨力分别为２．５ｍｍ和１．５ｍｍ，可用于在体软组织弹性成像。最后讨论了软组织弹性测量中的具体问题。     

脉冲放电止裂后裂尖处纳米尺度下的力学性能测试

应用扫描探针显微镜SPM(scanning Probe Microscopy)，对经过脉冲放电止裂后的40Cr模具钢裂尖处的组织进行了纳米尺度下的力学性能测试。测试结果表明：脉冲放电不仅使裂纹尖端钝化，同时使围绕裂尖处组织的细观硬度和细观杨氏弹性模量得到了提高，与宏观观测和分析规律相符，纳米尺度下微观力学性能测试结果为脉冲放电裂纹止裂技术的工程应用提供了微观尺度下的证据。     

固体的弹性模量和内耗测量方法研究进展

弹性模量和内耗是固体材料的基本力学性质, 其测量的准确性和便捷性对工业生产和科学研究都很重要. 本文回顾了近一百年来固体材料弹性模量和内耗的测量方法, 主要分为四类: 准静态方法、低频法、共振法和波传播法. 首先对每类方法的测量原理进行了简单介绍及总体评价. 接着对几种共振方法, 包括自由梁共振法、脉冲激励法、超声共振谱方法和压电超声复合振动技术(PUCOT)进行了详细介绍和评价. 然后, 重点介绍了本课题组最新提出的基于机电阻抗的模量内耗测量方法(称之为M-PUCOT或Q-EMI), 它可以同时、准确、快速地测量杨氏/剪切模量及相应内耗. 最后, 对这种新型弹性模量/内耗测量方法的意义和应用前景进行了讨论和展望.      

双模量泡沫铝芯夹层梁的自由振动分析

对模量泡沫铝芯夹层梁的固有振动问题进行了研究。利用双模量的材料应力-应变方程,推导出了双模量材料剪切弹性模量计算公式,证明了双模量梁中性轴位置不受作用在梁上的横向载荷的影响。在考虑剪切变形的基础上,建立了双模量泡沫铝芯夹层梁的强迫振动控制方程,推导出了双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动问题的振型函数及固有频率计算公式,并分析了剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动频率的影响。研究表明:泡沫铝芯夹层梁固有振动时,其固有振动波形是不连续的,奇数波型与偶数波型之间存在间断点;剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动的影响是不能忽略的。     

面向血管病变力学特性表征的光学相干弹性成像研究进展

由于血管病主要发病机制是动脉粥样硬化斑块破裂,所以动脉斑块的力学特性表征对血管病病理研究和诊治具有重要意义。光学相干断层扫描(OCT)作为心血管成像的新技术,能识别斑块的细微组织成分,但是不能评估或预测斑块的破裂风险。面向斑块力学特性表征的弹性成像技术(OCE)近年来逐渐成为了血管力学领域的一个研究热点。本综述首先介绍OCT干涉信号及与组织结构、变形、速度相关的数据处理的基本原理;然后总结对体外块状的血管斑块样本变形进行测试的散斑追踪和基于相位检测的OCE方法,以及面向临床应用的基于导管扫描的血管内OCE技术进展;最后,综述血管力学参数定量计算及应力分析方法。血管OCE的主要进展和现存关键问题的深入分析表明血管内OCE有望成为血管内OCT的新功能,为动脉斑块发生发展机理研究和心脑血管疾病诊治提供更有力的成像手段。     

基于单个压电振子的湍流边界层主动控制

利用安装在壁面上的单个压电振子周期振荡,采用开环主动控制方案,实现了对平板湍流边界层相干结构猝发的主动控制和壁湍流减阻.根据不同的输入电压幅值和频率,完成了10种工况的实验.在压电振子下游2mm处,用热线风速仪和迷你热线单丝探针,精细测量湍流边界层不同法向位置瞬时流向速度信号的时间序列,分析了在Re_?=2183压电振子振动对湍流边界层平均速度剖面、减阻率和相干结构猝发过程的影响.实验结果表明,施加控制的工况使平均速度剖面对数律层上移,产生减阻效果;压电振子振幅越大,减阻率越高,减阻效果越明显;通过对施加控制前后流向瞬时速度的多尺度湍涡结构脉动动能的尺度分析,当压电振子振动频率与壁湍流能量最大尺度的猝发频率相近时,减阻率达到最大,为25%,说明控制壁湍流能量最大尺度相干结构的猝发是实现壁湍流减阻的关键;通过对比相干结构猝发的流向速度分量条件相位平均波形,发现施加控制的工况中相干结构猝发流向速度分量的波形幅值明显降低,且流向速度在扫掠后期高速阶段迅速衰减,缩短了高速流体的下扫过程,说明压电振子的振动能抑制相干结构的高速流体下扫过程,减弱高速流体与壁面的强烈剪切过程,并使近壁区域相干结构的振幅显著减弱,迁移速度加快,从而减小壁面摩擦阻力.      

活体状态下人脸皮肤力学性能原位测量研究

人类面部皮肤力学性能对面部手术、整容和表情形成机理等研究工作具有重要意义,但目前对面部皮肤力学性能的研究尚不完善,特别是实验方法和实验设备开发等方面还存在较多问题。本文提出一种适用于面部皮肤的加载装置,可精确实现直线运动,并通过微力传感器测量探针与皮肤之间的接触力,得到接触力-探针位移曲线,测得面部皮肤有效弹性模量E*为5.6~11kPa,皮下组织的厚度直接影响着皮肤的有效弹性模量,皮肤组织较薄的颧骨区域E*为9.3~11kPa,较厚的嘴角及脸颊区域E*为5.6~8.9kPa。此外,利用3D-DIC(三维数字图像相关技术)对皮肤表面变形场进行测量,其变形场特征充分体现出皮肤的各向异性。结果为深入研究面部皮肤本构关系打下了基础,也可为面部生物力学研究提供实验数据支持。     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数.激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一.在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时,通过光学测量薄膜自由面瞬态位移,并利用应力波理论计算得到临界界面强度.通过精确控制试样几何形状及尺寸,包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现.本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述,并特别强调了不同加载模式的实现方法,高强度超薄薄膜的界面测量技术,以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂.     

基于Timoshenko梁阻抗单元的压电智能梁谐振分析

近年来,国内外关于压电材料与智能结构的研究已经蓬勃发展起来,尤其是受压电激励或传感结构的高频振动问题引起人们广泛的兴趣.论文基于Timoshenko梁理论,考虑压电梁系统中的转动惯量和剪切效应,推导了弹性梁和双压电晶片夹层梁这两种阻抗单元的阻抗方程,利用有限个阻抗单元以及它们的任意组合,模拟含压电激励器的智能梁系统.通过两个数值算例,分析了不同支承条件下压电智能梁的简谐振动,并与其它方法得到的结果进行了对比.研究发现:在前5阶模态,论文结果与有限元结果相吻合,而且在高于三阶模态的结果中,论文结果优于由Bernonlli-Euler梁得到的结果.因此,在分析受压电激励或传感梁结构的高频振动时,应舍弃Ber-nonlli-Euler梁理论而采用本文提出的分析方法.     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数。激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一。在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时，通过光学测量薄膜自由面瞬态位移，并利用应力波理论计算得到临界界面强度。通过精确控制试样几何形状及尺寸，包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现。本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述，并特别强调了不同加载模式的实现方法，高强度超薄薄膜的界面测量技术，以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂。     

RESONANT FRACTURE OF LAYERED CYLINDRICAL PIEZOELECTRIC SENSORS LOADED WITH VISCOUS LIQUID1)

建立了轴向剪切振动条件下,流固耦合压电层合柱的断裂力学分析模型。运用分离变量法、无穷三角级数、柯西奇异积分、Bessel函数和Lobatto-Chebyshev配点法等方法,得到了应力强度因子随频率变化的数值结果。分析了裂纹角度、弹性模量、压电系数、介电系数、密度等对SIF (stress intensity factor)一阶共振频率的影响规律。     

流固耦合条件下压电层合柱的共振断裂分析

建立了轴向剪切振动条件下,流固耦合压电层合柱的断裂力学分析模型。运用分离变量法、无穷三角级数、柯西奇异积分、Bessel函数和Lobatto–Chebyshev配点法等方法,得到了应力强度因子随频率变化的数值结果。分析了裂纹角度、弹性模量、压电系数、介电系数、密度等对SIF (stress intensity factor)一阶共振频率的影响规律。     

聚丙烯短微纤维增强水泥冲击特性研究

基于唐志平等提出的剪切波跟踪技术(SWT),对聚丙烯短微纤维增强水泥(FCEM)和素水泥(CEM)进行了冲击速度76～506m/s、倾斜角为10的斜撞击试验。研究结果表明,两种材料的Hugoniot冲击绝热线均有四个明显的临界点A、B、C、D,分别对应材料的Hugoniot弹性限、剪切卸载波(S-)消失、孔洞崩塌点和颗粒材料的再压缩点。其中临界点B,在过去的研究工作中尚未被揭示,只有采用剪切波跟踪技术对S-波进行跟踪测量,才能最终确定。对剪切强度的分析结果表明,采用剪切波,尤其是卸载剪切波来探测脆性材料内部动态损伤非常有效。     

界面剪切实验研究

用云纹干涉法测量了带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场（Ｕ、Ｖ场），试件是由弹性模量相差悬殊的铝合金和环氧塑料两种材料制成。文中给出了试件制备、实验方法和测试结果。     

缺陷岩体中弹性波传播的多次散射效应分析

弹性波在岩体中传播时与岩体缺陷相互作用形成复杂的传播图案。为研究缺陷对弹性波多次散射作用的影响,建立了双椭圆缺陷模型,基于Green函数基本解,采用边界积分的计算方法,得到了反映缺陷界面条件的刚度矩阵,分析了弹性波在双椭圆缺陷间的多次散射效应。结果表明：与单椭圆缺陷模型相比,双缺陷的相互作用使得弹性波频散和衰减效应增强,定量给出了缺陷的影响区域,从而明确了多次散射效应的尺度界限。进一步探讨了弹性波传播的多尺度效应,结果表明频散的Rayleigh峰、Mie峰和衰减的峰值频率同椭圆长轴和入射波波长两个尺度密切相关,存在明确的定量关系。相应的数值模拟结果表明,弹性波和缺陷相互作用在缺陷界面上诱发界面波,该界面波也存在频率相关性,影响了弹性波宏观传播的频散和衰减特征。     

两种五零能模式材料单胞构型及其性能分析

五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波。本文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材料可传播弹性膨胀波,另一种可传播弹性剪切波。然后分别采用代表体元法和均匀化法分析这两种单胞的等效弹性模量。五零能模式材料的分析分为两步更直观,开始从单胞桁架模型入手,检验单胞构型是否满足五零能模式的定义,然后分析单胞实体模型,考察单胞构型的结构参数与其等效弹性模量的关系。研究表明对于这种低密度弹性材料的分析,代表体元法更适合。     

一种基于图像相关的双图像法测量细观试件弹性模量的方法

本文提出了一种基于图像相关的双图像法测量弹性模量的方法,测试精确度比单图像方法的精确度提高了一个量级,通过实验验证了方法的可靠性。利用双图像法对细观尺度不锈钢薄带和牛骨试件的拉伸弹性模量进行了测量,发现牛骨试件的拉伸弹性模量随着厚度的减小而减小。