中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究,为实验力学带来了新的研究内容,也为相关领域的研究开辟出独特的途径.本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述:1)提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法,设计制作出相应的FPA,实现了新概念光学读出红外成像,热成像指标处于国际领先;2)提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带,建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹;3)提出用微梁传感研究大分子/蛋白质构象折叠,检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程,为研究大分子折叠机理提供了一种新途径.     

微梁传感研究大分子构象转变

通过表面修饰技术将大分子连接到微悬臂梁的单侧表面上，调节周围的物理、化学环境使大分子的构象发生转变，并用光杠杆法检测微梁变形。实验结果显示，大分子在微梁表面的构象转变过程会引起微梁的表面应力发生变化，并使之产生纳米量级的端部位移变形。此外，对于不同的大分子，促使微梁表面应力发生变化的机制是各不相同的。分析显示，氢键作用、静电作用和疏水作用分别在PNIPAM分子、PAA分子和胰蛋白酶分子的构象转变和微梁表面应力变化过程中起主要作用。微梁传感用于大分子的构象转变检测，提取的是分子间相互作用力的信息，它为从微观上理解大分子构象转变问题提供了一种新的实验手段。     

基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术

由于军事和商业应用的巨大潜力,红外成像技术至今仍是研究热点之一。针对本课题组提出的基于MEMS和光学读出的新型非制冷红外成像技术,本文一方面通过有限元仿真分析,详细讨论了新型无基底双材料微梁阵列FPA的热转换效率和热变形效率,另一方面通过光学理论分析,详细讨论了光学读出系统在极限操作下的光学测量灵敏度。理论和仿真分析显示,课题组提出的非制冷红外成像技术的NETD的理论极限与当前制冷型红外成像技术的典型指标相当,约为4mK。同时,本文对设计制作的FPA,在构建的系统上进行了红外实时成像实验和理论仿真分析,显示其系统级NETD已达到110mK。     

微梁传感研究大分子构象转变

通过表面修饰技术将大分子连接到微悬臂梁的单侧表面上,调节周围的物理、化学环境使大分子的构象发生转变,并用光杠杆法检测微梁变形.实验结果显示,大分子在微梁表面的构象转变过程会引起微梁的表面应力发生变化,并使之产生纳米量级的端部位移变形.此外,对于不同的大分子,促使微梁表面应力发生变化的机制是各不相同的.分析显示,氢键作用、静电作用和疏水作用分别在PNIPAM分子、PAA分子和胰蛋白酶分子的构象转变和微梁表面应力变化过程中起主要作用.微梁传感用于大分子的构象转变检测,提取的是分子间相互作用力的信息,它为从微观上理解大分子构象转变问题提供了一种新的实验手段.     

光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。     

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。     

光学读出非制冷红外成像的最新进展

针对以前红外成像中红外图像的噪声等效温度差（NETD）较大和空间分辨率不高的问题，本文在制作工艺改善的基础上，设计了一个单元尺寸分别是50μm×50μm和60μm×60μm的红外焦平面阵列（FPA），它是由0．5μm厚的SiNX和0．2μm厚的Au构成的双材料微悬臂梁阵列构成。微梁单元倾斜角的变化利用在谱平面刀口滤波的光学方法测量。FPA是利用基于体硅的表面微加工工艺制作的，利用制作的FPA的60μm×60μm单元区域和12bit CCD，得到了室温物体的热像。讨论了60μm×60μm单元区域的性能，给出了NETD在100mK左右。和以前的工作相比，红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善。     

无基底焦平面阵列结构优化设计及性能分析

基于光学读出非制冷红外成像技术,本文作者提出并成功设计制作了无基底焦平面阵列结构(Focal Plane Array,FPA),不仅简化了制作工艺,而且大幅提升了成像性能。但由于其为单层膜结构,固有频率值低,可能会引起热机械振动噪声(NETDTM),导致噪声等效温度差(NETD)上升。为解决这一问题,本文提出两种改进的加强梁结构,借助有限元简化模型和激光位移传感器,通过数值模拟和实验验证,证实这两种结构可以大幅度提高FPA固有频率值(分别从74Hz提升至835Hz和404Hz),NETDTM降低约两个数量级,从而实现了对FPA的优化设计。     

微梁传感研究PNIPAM分子链热致折叠构象转变

大分子的构象转变问题,作为人类认识生命现象的基础,是当前生命科学研究的热点问题之一。本文运用光杠杆放大原理,通过检测单侧表面上修饰有聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)分子的微悬臂梁在水溶液中随温度变化时发生的变形,获得了修饰于微梁表面的PNIPAM分子链在溶液温度变化时,由于亲/疏水性改变所导致的分子构象转变信息。实验结果显示,PNIPAM分子链的这种构象转变在20℃~40℃之间连续进行,整个过程具有迟滞性。另一方面,微梁表面应力的变化,反映的是分子构象转变过程中PNIPAM分子链之间的相互作用的信息,这对我们深入认识构象转变过程中微观机制是很有帮助的。本文提出的方法,是基于大分子构象转变过程中分子之间相互作用,反映的是过程中的力学信号,具有较高的灵敏度和较广的应用范围。     

实验力学最新进展——————2008国际实验力学会议概况

介绍了2008国际实验力学会议的基本情况.大会报告内容涉及数字图像相关测量、激光干涉测量、光栅应变传感技术、非制冷型红外探测技术等当今实验力学的热点研究领域,以及其它科学领域的发展对实验力学带来的挑战和机遇,尤其是微纳米和多尺度力学问题的研究给实验力学提出的诸多具有挑战性的研究课题.分会场邀请报告和交流论文也充分展示了实验力学各个研究领域的最新研究成果和发展动向.      

大学物理《力学》中的自由度分析

对《力学》中的物体自由度进行多方面分析,以深化教学、提高学生正 确分析物理问题的能力.使用实际教学分析的研究方法,在《力学》范围内讨论自由度与坐标、 自由与约束的关系并得以下结论: (1) 同一物体的自由度随其所在的``空间'不同而不同, 不因坐标系的选取不同而 异, 在同类参考系中不因参考系的动静而有别;(2)自由度遵循叠加原理. 讨论了质点系的总自由度及相关计算问题,并指出研究《力学》中自由度的意义.     

Application of the theory of branching of solutions of nonlinear equations in the estimation of pole perturbance of linear closed-loop systems

When the state and input matrices of a multivariable linear time-invariant system are perturbed, the problem of the estimation of pole perturbance of closed-loop system is considered by making use of the theory of branching of solutions for nonlinear equations.     

两自由度振动系统的斜碰撞分析

研究斜碰撞振动系统动力学的一个关键问题是对系统在碰撞前后的状态进行合理描述和正确计算．针对两弹性体斜碰撞问题，基于瞬间碰撞假设，提出了采用步进冲量来分析和求解斜碰撞前后的状态关系；并以弹簧摆和振子组成的两自由度斜碰撞振动系统为例，具体介绍了该算法如何实现．用解析方法讨论了该系统在斜碰撞过程中可能出现的各种力学现象，将冲量步进算法得到的数值解与解析结果进行对比，取得了完全一致的结果．该数值方法能适应多种斜碰撞问题的计算．     

The distribution of zeroes of solutions of neutral equations

1.IntroductionThestudyofoscillator}'behaviorofneutraldifferentialequationsisarelativealnewfieldandisveryinterestinginapplications.Inrecentyears.theoscillatorytheoryfortheseequationshasbeenextensivelydeveloped.WerefertotherecentbookbyGyoriandLadaSI'I,Baino…     

沙漠地貌演化过程的湍流大涡模拟研究

采用大涡模拟和混合粒径群体沙粒运动算法结合内置边界方法来模拟沙波纹与沙丘的演化和发展,在平坦沙区形成沙波纹的同时,在沙丘上同样也出现了沙波纹的结构,即沙波纹的发展出现了多尺度现象.此外,还分析了粒径对沙波纹与沙丘自身形态演化和发展的影响,以及沙丘对平坦沙区沙波纹形成发展的作用.     

CHARACTERISTICS OF SUBDIFFERENTIALS OF FUNCTIONS

ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳＯＦＳＵＢＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬＳＯＦＦＵＮＣＴＩＯＮＳ（郭兴明）ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳＯＦＳＵＢＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬＳＯＦＦＵＮＣＴＩＯＮＳ￥ＧｕｏＸｉｎｇｍｉｎｇ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＪｕｎｅ１６，１９９５...     

SWT-120风洞稳定段的性能测量

在普通超音速风洞中,由于受到噪声干扰,很难进行有效的边界层转捩特性试验研究,针对超声速流动特点发展较低噪声风洞十分必要,而稳定段设计的好坏直接影响到下游试验段噪声水平。本文介绍一座低噪声风洞稳定段的结构和性能测量结果。先对稳定段的结构设计做了简单介绍,然后对实验结果进行分析,实验结果表明在大角度扩散段内装置孔锥,稳定段安装消音夹层和阻尼网组等部件后,气流的速度脉动和压力脉动明显降低,其中压力脉动降低一个量级,速度脉动为1%。进一步优化设计和改进工艺,速度脉动还可进一步降低。测量结果表明SWT-120稳定段的设计是成功的,对我们以后发展更高性能的静风洞有借鉴和参考价值。     

Identification of viscoelastic characteristics of composite materials on the basis of results of an experimental and theoretical analysis of the dynamic behavior of hemispherical shells

A method is proposed for determining the stiffness and rheological characteristics of composite materials, which is based on minimizing the disagreement between experimental data and results of numerical simulations of deformation of hemispherical shells under explosive loading. The damping characteristics of randomly reinforced polymer materials are analyzed with the use of this method. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 3, pp. 126–133, May–June, 2006.     

On some problems of stability of systems with an infinite number of degrees of freedom

The problem of stability of equilibria of a physical pendulum with a nonstretchable thread attached to it is considered from the standpoint of the Lagrange theorem on stability and its inversion. Specific difficulties which one faces when studying an infinite dimensional mechanical system are discussed. A new approach to the study of stability with respect to two metrics is suggested. The influence of resonant phenomena on the motion of the shortened (linearized) system is considered.

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Sommario Si considera il problema di stabilità di punti di equilibrio di un pendolo fisico con un filo inestensibile appeso ad esso dal punto di vista del teorema di Lagrange sulla stabilità e sulla sua inversione. Difficoltà specifiche relative allo studio di un sistema meccanico di dimensione infinita sono discusse. Si suggerisce un nuovo metodo per lo studio della stabilità rispetto a due metriche. L'influenza di fenomeni di risonanza sul moto del sistema ridotto (linearizzato) è considerata.

     

综合管廊早龄期混凝土温度应力仿真模拟

以汉中市综合管廊为工程背景,通过有限元软件,首先模拟分析综合管廊早龄期温度场,随后将温度场结果附加到管廊结构中求解温度应力,从而分析综合管廊早龄期混凝土温度应力与浇筑长度的关系。模拟分析发现:综合管廊在混凝土浇筑早期,温度场沿长度方向变化不显著,且随着浇筑长度的增加,温度场不变;在墙体温度上升阶段,墙体内部沿长度方向的应力主要为压应力,当墙体混凝土内部温度达到最高,混凝土开始降温,结构内变形由膨胀逐渐变为收缩,内力由压应力逐渐变为拉应力,随着时间的变化,墙体内外温差趋于稳定,墙体温度应力也逐渐平稳,此时温度应力主要受外界环境变化影响;当综合管廊浇筑长度在60m范围内,浇筑长度越大,温度应力越大,但当浇筑长度超过60m,温度应力不再增加。