Numerical study of dynamic zigzag patterns in migrating epithelial tissue

Collective cell migration plays a crucial role in embryonic development, metastasis, and wound healing. Nevertheless, to the best of our knowledge, how the coordination between the cell motility and deformations affects the collective motion of epithelial cells is not fully understood. In this work, we propose a modified self-propelled Voronoi model for epithelial cell migration incorporating the coupling between the self-propulsion of cells and the polarization of the cell elongation. At a high coupling strength,we observe the emergence of backward traveling band structures formed by highly aligned cells, which can be regulated by cell elongations or shape anisotropy. Increasing the cell shape anisotropy, we find that large bands split into multiple small microbands. The latter essentially forms a dynamic zigzag pattern, in which the angle between the polarization direction of the bands and the migration direction switches alternatively between π/4 and-π/4 because the cells are forced to move preferentially in the anterior direction. We also analyzed the disclinations in the cell monolayer, force distribution near the domain boundaries and the shape alignment of the epithelial monolayer during the formation of this dynamic pattern. The present findings may further our understanding of stripe pattern formations in living systems and inspire potential designs for cell sorting.     

双重点最小二乘配点无网格法

配点类无网格法需要计算近似函数的二阶导数,因而在移动最小二乘(MLS)近似中至少要采用二次基函数。本文利用Voronoi图对双重点移动最小二乘近似法进行了改进,建立了基于Voronoi图的双重点移动最小二乘近似(VDG),并利用加权最小二乘法离散微分方程,导出了双重点最小二乘配点无网格法(MD GLS)。该方法将求解域用节点离散,并以节点为生成点建立Voronoi图,取Voronoi多边形的顶点为辅助点。近似函数及其二阶导数的计算过程可分解为两个步骤:首先用场函数节点值拟合辅助点处近似函数的一阶导数,再以辅助点处近似函数的一阶导数值拟合节点处近似函数的二阶导数。由于在每一步中只需计算MLS形函数及其一阶导数,这种近似方法需要较少的影响点和较小的影响域。同时借助于Voronoi结构的优良几何性质,可以快速地搜索影响点。研究表明,与基于MLS的加权最小二乘无网格法(MWLS)相比,这种方法可以显著提高计算效率,并且在精度和收敛性方面也有所改善。     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

多晶金属弹粘塑性的取向元模型

基于“三维组集式本构模型”［１～３］，运用功共轭原理和场平均方法，发展了一种“取向元”概念——多晶聚集体内具有相同取向的滑移系集的一个体积平均意义上的代表性元素；由一维的率（粘性）敏感“取向元”，通过在取向空间里的积分，获得了三维的弹粘塑性本构方程式，并模拟了蠕变和松弛现象．与以往的粘塑性模型相比，本文模型不仅能同时考虑多晶金属材料的率相关性和路径相关性，而且由于引入了物理机制，因而具有较强的预测能力．数值算例也展示了该模型的合理性     

基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析

离散元方法广泛应用于海冰，特别是碎冰区的动力过程及其对海洋结构作用过程的数值模拟。为构造碎冰区中的冰块几何特性，基于二维Voronoi图方法对计算域进行随机切割以生成碎冰区中冰块的几何形态，并采用球体单元对每个碎冰块单元进行填充，从而确定碎冰区的初始分布场。在采用Voronoi图进行碎冰区构造时，可对冰块尺寸、几何形态和密集度等海冰参数进行设定。为确定冰块的不同几何规则度，综合采用排斥法和扰动法以定量地控制碎冰块几何形态从完全随机分布到规则分布的连续变换。为分析不同几何规则度下碎冰块的几何特性概率分布规律，对计算域内冰块的面积和边数等参数进行统计分析，从而可更合理地参数化控制初始冰场中碎冰块的几何特性。在此基础上，本文基于粘接-破碎的球体离散元方法对不同冰况下锥体结构的冰荷载进行了数值计算，讨论分析了碎冰区的海冰密集度、冰块面积和几何规则度对冰载荷的影响。     

立方晶系多晶体细观马氏体相变有限元模拟

从马氏体相变切变机理入手,考虑相变体积变化,定义相变机械驱动能及其等效驱动应力,并在假设细观化学驱动能均匀的前提下,建立细观动力学模型.在此模型基础上,通过Marc软件二次开发,开展弹塑性立方晶系多晶体单向拉伸下的应力耦合细观马氏体相变有限元模拟.有限元模型的每个单元同时代表一个材料主轴随机分布的晶粒,屈服准则采用立方晶系单参数Hill准则,细观相变率与细观等效驱动应力关系取指数形式.三个多晶体样本模拟显示:1)细观马氏体相变分布不均匀,且不均匀程度随增量步增加呈先快后慢的减弱;2)多晶体宏观相变率-宏观拉伸应力模拟曲线呈指数态势,但在整个加载过程中,相变量均较细观模型的小.     

一种复杂多边形最大内圆的快速查找算法

任意多边形的最大内圆的快速查找在多个领域有着重要的应用。首先给出了任意多边形的Voronoi图的生成方法,以及基于Voronoi图实现该多边形的最大内圆的寻找算法,在此基础上分别采用中线简化及并行化处理对算法进行了效率方面的改进,并重点研究了矢量数据并行化过程中的数据分配策略,给出了其最优数据划分策略——算法复杂度均衡法。最后对北美阿拉斯加地区的多个湖泊进行了最大内圆的查找实验,相应的实验结果表明,改进的方法能够很大程度地提高最大内圆的查找效率。     

无网格方法中粒子分布与自适应研究

给出了一种区域粒子的Voronoi面积均匀的划分方法,先利用边界点得到边界粒子,再得到内部粒子,利用这种方法可以得到一般区域上粒子的均匀分布.同时,给出了计算过程中按流场的物理量对粒子进行自适应分布的方法.并给出了几个算例.     

基于Voronoi图和动态自适应蚁群算法的UAV航迹规划

以UAV航迹规划为应用背景,提出了一种基于Voronoi图和动态自适应蚁群算法的航迹规划方法;为了提高航迹规划问题最优解的质量及全局求解能力,克服传统蚁群算法收敛速度慢、容易陷入局部最优等缺点,提出了一种动态自适应蚁群算法;采用动态自适应航迹点选择策略并将信息素更新规则和挥发系数进行动态自适应调整变化来对蚁群算法进行了改进,提高了算法的求解效率;根据战场已知威胁源生成Voronoi加权图,并与所提的动态自适应蚁群算法相结合求解规划空间中的最优航迹;考虑到UAV的物理约束限制,对生成的可行航迹进行平滑优化;仿真结果表明,该方法能够为UAV规划出一条满足要求的可飞航迹,验证了所提方法在解决航迹规划问题时是可行、有效的;     

Photoluminescence characteristics of GaN：Si

Both the electrical and optical properties are studied of the GaN：Si films with carrier concentrations ranging from 10^17cm^-3 to 10^19cm^-3.rhe results indicate that the increase in slope of carrier concentration starts to slow down when the flow rate of SiH4 is larger than 6.38μmol/min, which is attributed to the amphoteric character of Si. At the same time, the photoluminescence results show that the FWHM of UV is widened,which can be interpreted quantitatively with a semi-classic model. Furthermore, the intensity ratio between the yellow and the UV luminescences reduces monotonically with Si dopants increasing.