一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

湿骨内动态力——电性质的实验研究

本文设计了一种研究骨力─电性质的测试装置。它既用来测量骨的静态力─电性质，又可用来测量骨的动态力─电性质。利用本装置对湿骨试件进行了测试，发现湿骨中压电效应也起作用。从实验上证明了在动态载荷作用下湿骨中的力─电电位主要来源于压电效应。     

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形。由于应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应。由于应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能。与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制。本文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后本文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向。     

PZT压电陶瓷高温变形与失效的实验研究

随着工业设备集成化进程的加快,PZT压电陶瓷获得越来越广泛的应用,其工作环境也越来越复杂.例如,新一代节能环保型发动机中起致动作用的压电陶瓷叠层驱动器,工作时要承受力-热-电载荷的共同作用.因此,研究PZT压电陶瓷在高温下的变形与失效行为,对工业设计具有重要的指导意义.为此,本文利用自行搭建的压电陶瓷高温下电滞回线、蝶形回线和应力退极化曲线的测试装置,研究了PZT压电陶瓷在不同温度下的电致变形和应力退极化行为,得到了材料在不同温度下的电滞回线、蝶形回线、应力电位移曲线和应力应变曲线.实验结果表明,随着温度的升高,由电滞回线测得的剩余极化逐渐减小,蝶形回线逐渐变扁;由应力退极化产生的剩余极化和剩余应变也逐渐减小.极化量的改变是由材料的热释电效应(自发极化随温度的升高而减小)造成的,而应变量的变化是由晶胞畸变随着温度升高而减小所致.     

基于广义应变梯度理论的纳米梁挠曲电效应研究

挠曲电效应是应变梯度与电极化的耦合，它存在于所有的电介质材料中。在纳米电介质结构的挠曲电效应研究中，应变梯度弹性对挠曲电响应的影响一直以来被低估甚至被忽略了。根据广义应变梯度理论，应变梯度弹性中独立的尺度参数只有三个，而文献中所采用的一个或两个尺度参数的应变梯度理论只是它的简化形式。基于该理论，论文建立了考虑广义应变梯度弹性的三维电介质结构的理论模型，并以一维纳米梁为例研究了其弯曲问题的挠曲电响应及其能量俘获特性。结果表明，纳米梁的挠曲电响应存在尺寸效应，并且弹性应变梯度会影响结构挠曲电的尺寸效应，特别是当结构的特征尺寸低于尺度参数时。论文的工作为更进一步理解纳米尺度下的挠曲电机理和能量俘获特性提供理论基础和设计依据。     

湿骨内动态力—电电位的因素分析

本文通过实验测出了在动态压力作用下缓冲液自板形骨试件的不同表面流入时的动态力－电电位波形。修正了以前的结论，分析了瞬态和稳态时力－电电位产生的原因，证明无论瞬态还是稳态时的力－电电位主要产生于流动电位而并非压电效应。     

填充橡胶温度依赖的非弹性力学行为实验研究

填充橡胶具有复杂的非弹性力学行为，主要包括应变率依赖的粘弹性效应和变形历史依赖的Mullins效应。当前大多数对填充橡胶的实验研究集中于室温条件，针对以上问题，本文通过单轴压缩实验系统地研究了温度对氟橡胶粘弹性和Mullins效应这两种非弹性行为的影响。首先采用多次循环加载获得了完全消除了Mullins效应的预处理试样。通过对原试样和预处理试样的单轴加卸载实验应力响应进行对比，发现Mullins效应不受变形温度和应变率的影响。通过对消除Mullins效应橡胶材料应力松弛实验结果分析，发现粘弹性行为不仅与变形的温度、应变率相关，还受加载应变的影响，表现为较大的加载应变会抑制氟橡胶的应力松弛。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

基于先进生物材料的心肌细胞力–电微环境体外构建

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因,心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗,尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力–电微环境的变化密切相关.近十几年,随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展,越来越多的研究表明,细胞力–电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义.本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程,包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力–电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控,以及细胞对力–电微环境的生物学响应.     

加载速率对骨的流动电位的影响

骨受力变形时所引起的压力驱动骨内哈佛氏管或骨小管内的液体流动,是骨内出现流动电位的外部原因.由于人体经常受动态载荷作用,研究骨在动态加载过程中流动电位的变化,更有助于了解骨细胞周围电环境的性质.为此,设计了流动电位测试系统,在骨试样两端施加梯形压力波.实验测量了在不同加载速率下流动电位的变化波形.结果显示,加载速率越高,流动电位有减小的趋势.分析认为这是由于微管中局部产生的湍流引起的.     

The role of macroscopic hardening and individual length-scales on crack tip stress elevation from phenomenological strain gradient plasticity

This paper quantifies the effect of strain gradient plasticity (SGP) on crack tip stress elevation for a broad range of applied loading conditions and constitutive model parameters, including both macroscopic hardening parameters and individual material length-scales controlling gradient effects. Finite element simulations incorporating the Fleck-Hutchinson SGP theory are presented for an asymptotically sharp stationary crack. Results identify fundamental scaling relationships describing (i) the physical length-scales over which strain gradients are prominent, and (ii) the degree of stress elevation over conventional Hutchinson-Rice-Rosengren (HRR) fields. Results illustrate that the three length-scale theory predicts much larger SGP effects than the single length-scale theory. Critically, the first length-scale parameter dominates SGP stress elevation: this suggests that SGP effects in fracture can be predicted using the length-scales extracted from nanoindentation, which exhibits similar behavior. Transitional loading/material parameters are identified that establish regimes of SGP relevance: this provides the foundation for the rational application of SGP when developing new micromechanical models of crack tip damage mechanisms and associated subcritical crack propagation behavior in structural alloys.     

电磁弹性复合材料双圆柱夹杂问题

研究了双圆柱压电夹杂嵌于无限大压磁基体中的力学问题，获得了基体受到无究远处电，磁，力载荷作用下的解析解。利用复变函数呆角变换和解析延拓，以及圆环域内的洛朗级数展开和Cauchy积分公式等得到了基体和两个夹杂中的复位势。由所获得的复位势继而得到了应力，电位移和磁通密度等物理量的解析表达式。并给出了算例分析，以此来表明夹杂对系统电磁弹性耦合行为的影响，以及验证所得解的正确性和实用性。     

逆压电效应对双稳态压电俘能器的性能影响研究

为了研究逆压电效应对压电俘能效果的具体影响，本文首先分析了双稳态压电俘能器的分布参数型能量表达式，然后应用广义Hamilton变分原理推导了该俘能系统的动力学方程，最后采用谐波平衡法获得了动力响应解析解。通过对比不同激励频率下的数值仿真结果，讨论了逆压电效应对俘能系统动力响应的影响规律。结果表明，逆压电效应在不同工况下对俘能效果的影响并非单纯起抑制作用，在一定激励强度的高频激励下，逆压电效应对俘能效果的影响起增强作用；弱强度激励下的俘能效果则全程受到抑制作用。     

具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.     

Dynamic focusing effect of piezoelectric fibers subjected to thermal shock

Based on finite Hankle transforms, this paper presents a theoretical method for analyzing the dynamic focusing effect of piezoelectric fibers subjected to the thermal shock of a transitory temperature change produced by a sudden electric current pulse. From analytical expressions and example calculations for two kinds of piezoelectric fibers, PZT-4 and BaTiO₃, it is found that the dynamic focusing effect is dependent on the material property of the piezoelectric fibers so that the maximum dynamic stress amplitude of the two kinds of piezoelectric fiber occur at different radial points. The mechanism of the dynamic focusing effect in piezoelectric fibers is relevant to the evaluation of the dynamic strength and electric signal of the piezoelectric fiber. The results carried out may be used as a reference to solve other transient coupled electrothermoelasticity problems in piezoelectric structures.     

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型．研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响．通过仿真算例与另两种不同建模理论（传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型）作了对比．随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势．对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多．此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大．     

PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF SINGLE-STRAND DNA MOLECULAR BRUSH BIOLAYERS

The paper is devoted to investigations on nanomechanical behaviors of biochips in label-free biodetections.The chip consists of Si-layer,Ti-layer,Au-layer and single-strand DNA (ssDNA)molecular brush biolayer immobilized by self-assembly technology of thiol group.Unlike previous viewpoints,such as force-bending,entropy-bending and curvature electricity effect,etc., the piezoelectric effect of the biopolymer brush layer is viewed as the main factor that induces nanomechanical bending of biochips,and a classical macroscopic piezoelectric constitutive rela- tion is used to describe the piezoelectric effect.A new laminated cantilever beam model with a piezoelectric biolayer in continuum mechanics,the linearized Poisson-Boltzmann equation in statistical mechanics and the scaling method in polyelectrolyte brush theory are combined to es- tablish a relationship between the nanomechanical deflection of DNA chips and the factors such as nanoscopic structural features of ssDNA molecules,buffer salt concentration,macroscopic me- chanical/piezoelectric parameters of DNA chips etc.Curve fitting of experimental data shows that the sign of the piezoelectric constant of the biolayer may control the deflection direction of DNA chips during the packaging process.     

压电螺位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的干涉

研究位于基体或夹杂中任意点的压电螺型位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的电弹耦合干 涉问题. 运用复变函数方法，获得了基体，涂层和夹杂中复势函数的一般解答. 典型例 子给出了界面含有一条裂纹时，复势函数的精确级数形式解. 基于已获得的复势函数和广 义Peach-Koehler公式，计算了作用在位错上的像力. 讨论了裂纹几何条件，涂层厚度和材 料特性对位错平衡位置的影响规律. 结果表明，界面裂纹对涂层夹杂附近的位错运动有很大 的影响效应，含界面裂纹涂层夹杂对位错的捕获能力强于完整粘结情况；并发现界面裂纹长 度和涂层材料常数达到某一个临界值时可以改变像力的方向. 解答的特殊情形包含了以 往文献的几个结果.     

压电堆在结构振动隔离中的应用

利用压电材料的逆压电效应,压电堆可用于振动激励,也可用于振动隔离。本文推导了了压电堆的有限元控制方程,采用数值方法研究了压电堆的隔振作用。作为算例,分析了支架采用压电堆振后的振动特性,为改善支架的动态特性提供了理论指导。     

Electroelastic state of an infinite multiply connected piezoelectric plate with known electric potentials applied to its boundaries

Generalized complex potentials, their expressions for a domain with elliptic holes, and the discrete least-squares method are used to analyze the generalized plane electroelastic state of a piezoelectric plate having holes and cracks with electric potentials applied to their boundaries. There are no mechanical loads. A numerical analysis is conducted. The effect of the applied voltage on the electroelastic state of the plate is examined