力学研究中"大数据"的启示、应用与挑战

大数据在全世界发展迅猛, 应用成效显著.大数据独特的思维和方法, 为科学研究与探索提供了全新的范式.力学研究中,高时空分辨率、多参数同步观测与高精度、大规模模拟手段的发展,为力学大数据的发展提供了契机,大数据、机器智能方法的应用正呈现快速上升趋势.本文旨在分析大数据思维方法在力学研究中的应用, 及其启示与挑战.首先从大数据资源、大数据科学及大数据技术3个层面分析了大数据的内涵及研究态势,概括了国内外政府及组织机构的大数据发展规划.而后对比分析了力学思维方法与大数据思维方法的特点,指出两者的本质区别在于数据使用方式的不同而带来的范式差异:大数据采用数据驱动模型替代力学中的偏微分方程组以描述问题,在复杂系统的分析、预测中优势显著.回顾了大数据方法在材料性能预测、材料本构建模、湍流建模、结构健康监测及试验力学等方面的最新研究进展,以及动态数据驱动与数字孪生等大数据驱动的建模模拟新范式.总结了大数据在力学研究中应用的3种方式, 即驱动已有模型改进,挖掘复杂隐含的规律, 以及替代已有的理论方法等. 最后,建议以力学研究为主体和牵引, 大数据与力学双驱动,推动大数据与力学交叉形成理论与方法突破、及学科发展新方向.      

悬链线竖向集中力作用下的构形分析和张力计算

目前,悬链线在竖向集中力和均布荷载共同作用下的构形分析和受力计算的理论仍不完善。针对这一问题,通过引入悬链线的几何约束方程、力平衡方程和超越方程,建立了竖向集中力与均布荷载共同作用下的非线性方程组。采用牛顿迭代法求解方程组,得到了悬链线的构形和受力情况。为了验证理论计算的正确性,进行了算例和试验验证。结果表明,算例的计算结果与文献结论保持一致,试验测得的构形和水平张力大小与理论计算的构形和水平张力大小吻合较好。本文的理论计算可以更加简单精确地计算出悬链线在竖向集中力和均布荷载共同作用下的构形和受力情况,为实际工程提供重要的理论指导。     

碳离子在不同材料叶片的多叶光栅上产生的次级粒子研究

在碳离子放射治疗中，碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域，在产生的次级粒子中以中子和$\gamma $射线的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下，减少碳离子放疗中产生的次级中子和$\gamma $射线对于降低放疗后出现的正常组织并发症及二次肿瘤风险有着非常重要的意义。本文利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟计算了被动式束流配送系统下，400 MeV/u碳离子束照射到由不同材料叶片构成的多叶光栅(MLC)形成典型的10 cm×10 cm方形射野时，在水模体中产生的次级中子和$\gamma $射线所沉积的剂量及空间分布等。模拟结果显示:碳离子束通过MLC形成射野后在水模体中产生的次级中子主要分布在水模体的入射端，次级$\gamma $射线较为均匀的分布在整个水模体内，且较多分布在具有展宽Bragg峰(SOBP)射野在水模体中贯穿时的坪区。对于MLC叶片材料的选择，则需根据实际情况对叶片厚度以及次级粒子当量剂量的要求来确定。本文通过模拟研究不同MLC叶片材料产生次级粒子的情况，为被动式束流配送系统中MLC叶片及其他元件的材料选择提供了科学依据。     

衰减匹配的超声Barker码激励方法

为增加超声穿透高声衰减介质的能力,提出了一种衰减匹配的超声Barker码激励方法。基于换能器高斯响应与材料非频散线性衰减的假设,得到了Barker码激励的信号模型,求解旁瓣抑制滤波后脉冲压缩的信噪比表达式可知,该方法仅需要根据材料衰减特性与轴向分辨率的要求,分别调整Barker码的中心频率与时长,便可以获得更高的信噪比。取衰减系数为1.4 Np/(MHz·cm)、厚度为5 cm的橡胶为试样进行验证。当与方波激励方法的轴向分辨率相近时,衰减匹配的Barker码激励方法比传统Barker码激励方法的信噪比增益提高接近5 dB;当牺牲一定轴向分辨率时,信噪比增益提高接近11 dB。结果表明,衰减匹配的Barker码激励方法可以降低依频率衰减对脉冲压缩的影响,有效提高衰减回波的信噪比。      

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

First-principles investigation on ideal strength of B2 NiAl and NiTi alloys

For B2 NiAl and NiTi intermetallic compounds, the ideal stress–strain image is lack from the perspective of elastic constants. We use first-principles calculation to investigate the ideal strength and elastic behavior under the tensile and shear loads. The relation between the ideal strength and elastic constants is found. The uniaxial tension of NiAl and NiTi along <001> crystal direction leads to the change from tetragonal path to orthogonal path, which is driven by the vanishing of the shear constant C(66). The shear failure under {110}{111} shear deformation occurring in process of tension may result in a small ideal tensile strength(~ 2 GPa) for NiTi. The unlikeness in the ideal strength of Ni Al and Ni Ti alloys is discussed based on the charge density difference.     

芘二聚体发夹探针用于细胞DNA单链断裂修复能力的评估

基于芘分子二聚体的荧光特性设计了一种新型的发夹探针,用于评估不同细胞的单链断裂修复(SSBR)能力.首先利用芘荧光分子设计一个茎上有缺口的DNA发夹探针,该探针在Bst DNA聚合酶作用下可以水解,使荧光信号“关闭”.如果探针茎上的缺口被DNA修复酶修复,可以阻止Bst DNA聚合酶对探针的消化作用,从而阻止荧光信号的“关闭”.该设计可以用于评估细胞的SSBR能力,并通过提取细胞的核蛋白考察了不同细胞的SSBR能力.研究结果表明,肿瘤细胞及细胞系不具有原代细胞的SSBR能力.利用SSBR的关键酶进一步探索了肿瘤细胞SSBR能力缺失的原因,证明是由于肿瘤细胞中含有可以抑制SSBR过程的活性物质.此外,该方法能够同时进行500个细胞的SSBR能力检测,并用于抗衰老药物筛选.     

超声提取-石墨炉原子吸收光谱法测定高纯石墨中铅的含量

为解决高纯石墨样品前处理中高温灰化耗时长(4～10 h)的问题,提出了题示方法。取高纯石墨样品0.300 0 g,置于50 mL聚丙烯样品管中,用15 mL 10%(体积分数)王水(体积比为3∶1的盐酸-硝酸混合液)超声提取20 min,提取时会有部分石墨漂浮于液面上,用注射器吸取样品管中部的提取液约3 mL,过0.45μm水系滤膜后收集在样品管中,在灰化温度为900℃、原子化温度为2 000℃等条件下采用石墨炉原子吸收光谱法进行测定。结果表明,超声提取缩短了样品处理时间(仅为20 min)。铅元素的质量浓度在5～50μg·L^-1内与对应的吸光度呈线性关系,检出限(3s/k)为0.11 mg·kg^-1。对同一样品分析7次,测定值的相对标准偏差为4.6%。按照标准加入法进行回收试验,回收率为91.0%～94.0%。     

Si内标-X射线衍射法定量测定铁矿中Fe3O4、Fe2O3和SiO2

铁矿物相的准确定量对矿物价值评价及选冶工艺研究有重要作用,现有化学法流程复杂效率低,X射线衍射全谱拟合法可溯源性差,结果准确性难以评价和验证。本研究建立了以Si为内标,以Cu靶X射线为辐射光源,步进扫描方式获得衍射谱图,以待测相含量为横坐标,待测相与内标相峰面积比值为纵坐标建立校准曲线,以曲线对铁矿中Fe3O4、Fe2O3和SiO2物相进行定量的方法。试验对制样条件、扫描参数、内标物选择、积分方式、重叠峰校正等进行了优化选择,结果表明,试样全部通过45 μm标准筛,Si内标比例为10%,步进长度0.01°,步进时间30S,选择对Fe3O4（311）、Fe2O3（104）、SiO2（011）和Si（111）的衍射峰进行积分强度计算,可获得最优结果。在选定工作条件下,Fe3O4在1.07～100%范围内线性相关系数(R2)为0.9953,相对标准偏差(RSD)1.1%～13.2% (n=6),加标回收率99.7 %~114.8 %,检出限(LOD)4.29%;Fe2O3在1.51～100%范围内线性相关系数(R2)为0.9991,相对标准偏差(RSD)2.8%～10.6% (n=6),加标回收率87.1%~112.2%,检出限(LOD)2.56%;SiO2在0.79～29.72 %范围内线性相关系数(R2)为0.9957,相对标准偏差(RSD)3.2%～10.3% (n=6),加标回收率86.6%~98.9%,检出限(LOD)0.68%。方法易溯源、准确性易评价和验证,适合开展标准化检测和应用。     

Sr_2CeO_4:Nd~(3+)纳米粒子的合成和近红外发光

采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法制备了Sr2CeO4和Sr2CeO4:Nd3+发光纳米粒子。样品的结构及性质采用XRD,TEM,荧光光谱及荧光衰减曲线等进行表征。在1200℃煅烧1h能够得到均匀的类球形Sr2CeO4:Nd3+纳米粒子,其粒径大小为20~40nm,并具有良好的分散性和高效的近红外发光特性。Nd3+合适掺杂浓度为0.15%(摩尔分数)。对Sr2CeO4:Nd3+近红外发光的机制分析表明:通过基质Sr2CeO4吸收紫外光,基团CeO4发生了电荷转移达到激发态,并将激发态能量传递给了Nd3+,从而使Sr2CeO4:Nd3+产生了特征的近红外发射。