微流控通道内细胞及其初级纤毛的力传导行为

细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关.为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,本文建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔黏弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统.考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为. 结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律.渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素. 初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性(应力影响区域),随着初级纤毛长度的增大, 其纤毛挠曲刚度减小, 但是敏感性增大.模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器(纤毛等蛋白链)的力学性能提供了理论技术支持.      

血管内皮细胞糖萼与力传导

血管内皮细胞糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层绒毛状多糖蛋白复合结构,是血管壁的选择性通透屏障．主要在协助红细胞顺利通过毛细血管、抑制血细胞对内皮的粘附及信号传递等过程中发挥重要的生理作用．大量研究证据表明糖萼可能还参与了内皮细胞对剪切力的感受和传导．在简要介绍了糖萼的结构及生理功能的基础上,本文着重对糖萼在力传导方面的研究进展进行了综述．     

管流中颗粒“惯性聚集”现象的研究进展及其在微流动中的应用

当随机散布细颗粒的流体以低Re数层流流入直管时, 经过一段距离的流动后, 这些颗粒会被稳定地聚集在一个离管道中心固定距离的同心圆环位置上运动. 这种运动特征被称为颗粒“惯性聚集”现象. 该现象表明: 在相应的Re数管流中, 颗粒除受到流体沿主流方向的驱动力同时, 还受到垂直于主流的横向力的作用. 这种横向力是使颗粒产生聚集运动现象的主要原因, 被认为是由于流场的惯性力对颗粒的作用.     

一种力-电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场（如压力梯度或者电场）作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此。考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段。因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场（压力梯度与电场）与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动（Pressure gradient driven,PGD）、电场驱动（Electric field driven,EFD）及力-电协同驱动（Pressure-electricity synergic driven,P-ESD）三种驱动方式下的液体流动理论模型。结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,具体地:力-电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加。细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显。在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响。生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大。另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值。该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力-电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础。      

白云岩受压声学特性及其在裂缝研究中的应用

通过实验手段研究了白云岩在三轴和单轴加载过程中的声波波速、幅度、频谱特性的变化特征. 结果发现:(1)白云岩在受压变形过程中,声波波速的变化较好地反映了岩石内部裂缝的闭合、产生、扩展和贯穿等变化. 总体而言,横波波速比纵波能更好地预测裂缝的产生,而纵波对裂缝的非稳定发展或贯穿有较敏感的反映. (2)随着轴压的增大,纵、横波波形的末端都有散射波的出现,且横波波形末端的"鱼尾"状散射波信号更为明显(此时应力点为极限强度的60%左右),预示着岩石内部裂缝的产生和稳定扩展. (3)频谱曲线也很好地反映了岩石内部结构变形情况. 随着岩石受力的增大,频谱曲线上的振幅都呈现增大趋势,标志着岩石的压实阶段;当频谱曲线上低频段较高频段活跃时,标志着裂缝的产生;更有甚者,低频还会取代高频成为主频. (4)在岩石受压裂缝闭合阶段,首波振幅和频谱主振幅都呈现上升趋势;而在裂缝不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势;振幅曲线达到峰值后都存在一突降拐点,预示着岩石的贯通破坏. 研究对于地层岩石的动态长期监测和工程岩体的稳定性评价都具有重要的理论参考价值.      

流线型轴对称钝体尾迹特性及其声激励控制

在Ｒｅ＝３．０×１０３～１．０×１０５的范围内实验研究了流线型轴对称钝体尾迹特性，并采用声激励手段对尾迹进行控制．研究表明，自然状态下流线型轴对称钝体尾涡无量纲脱落频率在Ｒｅ＝５．０×１０４～１．０×１０５的范围内具有普适性，适当频率的声激励可以减小回流区，该结果对工程减阻具有实际应用价值．实验中脉冲热线的成功应用为复杂流场的测量提供了新的技术手段．     

形状记忆合金及其工程应用中的力学分析

本文对一种全新功能材料———形状记忆合金进行力学分析，综述其行为特点、本构关系以及在变形控制、振动控制和损伤监控中的应用，并简要介绍它在应用中存在的问题及改进方法     

细胞结构的力学模型及模拟的最新进展

细胞是构成各种生命体组织和器官最重要的基本单元.向上,它构成各种生命体的组织和器官;向下,它本身又由各种不同的大小分子组成.因此,细胞构成了生命体从宏观到微观链条中极为重要的一环.细胞的结构有什么力学意义,力对细胞的影响究竟是作为一种纯粹的力还是某种信号一直是各国科学家探寻和争论的热点.本文简述了当前主要的细胞结构的力学模型,它们的优缺点以及更合理的模型所应满足的条件和有关最新进展,展示了这一领域目前研究的最新成就.      

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

切削刀具刃口带有负倒棱时剪切角的理论计算

本文根据试验观察,提出了刀具刃口带有负倒棱时的切削模型。在这个模型中,刀具刃口存在一个金属死区。以新模型为基础。对切削过程中刀具刃口处消耗的能量进行了理论分析与公式推导,并根据最小能量原理对重要参数——剪切角进行了理论计算。所作工作的特点是:在能量分析中计入了被挤压层金属通过刀具刃口时消耗的过剩变形能;进行有关材料变形与物理特性的计算时,考虑了温度与应变率的影响。利用新研制的在线显微摄影装置进行验证试验的结果表明,理论计算与实际取得了很好的一致。     

明渠中跌坎后突扩分离流数值研究

利用大涡模拟技术，对明渠中跌坎后的二维突扩分离流结构进行了数值模拟，探讨了这类典型分离流各特征区的流动性质，分析了再附区壁面上不同测点处脉动压力的统计特征，并与试验结果进行了比较．在数值模拟中，采用了弱压缩流的控制方程和非均匀网格系统．     

Duffing系统的主-亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.     

土钉支护结构的施工监测与变形控制

结合某软岩高边坡工程 ,对土钉支护结构的受力和位移进行了监测。通过对实验数据分析了土钉支护的结构原理和受力状态 ,表明土钉支护工作原理既不同于锚杆结构 ,又不同于土钉墙。同时根据施工过程中对边坡水平位移的监测 ,及时调整了边坡的支护参数、开挖深度和支护时间 ,控制了施工过程中边坡的变形 ,保证了软岩高边坡的整体稳定     

风筝设计及其在航空教育实践中的应用

为了使风筝能够更好地在青少年航空教育教学实践中得到推广,本文阐述了风筝构造、空气动力,以及受力与稳定性分析等风筝设计的相关概念与原理,介绍了美国NASA航空教育的风筝设计软件Kite Modeler,以及自己的教育教学实践情况。实践表明,风筝设计、制作、放飞是一项集简易航空器设计、手工制作、体能锻炼、休闲娱乐等为一体的实践活动,在大中小学航空教育中具有良好的现实意义。     

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

理论力学课堂教学深度和广度拓展的思考 1)

理论力学是工科专业的基础课,要提升学业挑战度,增加课程难度,拓展课程深度,那么该门课程对于工科专业来说,是首先要进行打造的。专业基础课的深度和广度拓展后,才能支撑后续专业课的拓展。文中从理论力学的教学环节、教学内容、教学方法和手段,以及实践环节几方面,探讨理论力学课堂教学的深度和广度的拓展,力求能够为打造理论力学成为"金课"出一份力。     

地下工程岩体结构面的统计与应用研究

以煤矿岩体为例, 分析了大小规模结构面的相关性, 提出了地下工程岩体结构面产状的统计方法, 阐述了多组结构面并存于-岩体时迹线间距的统计与计算方法。并用这些统计参数来确定巷道危石的最大可动区域, 选择最佳轴线方向, 为巷道的支护设计提供了科学依据。     

控制爆破的断裂控制与参数确定

描述了孔边线状裂纹扩展的断裂控制过程。建立了控制爆破参数与岩石强度、断裂韧度和炸药性质等之间的关系。得出了尽可能加大炮孔间距的合理尺度。     

比拟杆法在单箱双室箱梁剪力滞效应中的应用

依据加劲板理论分析箱型梁桥的剪力滞效应,建立了单箱双室箱梁的剪力滞效应分析的比拟杆法.推导了针对单箱双室箱梁的加劲杆面积公式和剪力滞微分方程;通过对算例有机玻璃单箱双室箱梁模型的剪力滞效应采用板壳数值解,实验解和本文理论解的对比分析,验证了比拟杆法在对单箱双室箱梁剪力滞效应研究中的可靠性和准确性.     

无单元法及其工程应用

无单元法可以求解复杂边界条件的边值问题，它只需结点信息而不需单元信息，故信息简单，特别适用于岩土工程数值分析．它的理论基础是滑动最小二乘法．本文对无单元法的基本理论作了研究，并用算例说明了研究成果．