青光眼发病机理——筛板变形研究进展

青光眼是世界上第一大不可逆致盲眼病.其病变与眼内压直接相关,控制眼内压是目前控制青光眼发展的唯一有效途径,但发病的确切机制尚未明确.现已证实,青光眼的原发部位是巩膜筛板:由筛板前后分别承受的眼内压与颅内压产生的压力差会导致筛板结构与形态发生变化,进而挤压穿过筛板的视觉神经,造成视觉神经损伤,产生不可逆的视觉损失.因此,青光眼的发病机理与筛板的力学特性及其周围的力学环境密切相关.自从筛板被确定为青光眼视神经损害的原发部位,筛板便成为该领域的研究热点.其中,通过建立筛板力学模型,研究眼内压与颅内压作用下筛板的受力变形,进而分析筛板变形对视神经的损伤,有助于揭示青光眼视神经损伤机制及青光眼的发病机理.本文将从相关实验、理论和计算以及临床等方面介绍青光眼发病机理中筛板变形的研究进展以及目前存在的问题.     

眼固体生物力学研究

眼是光转换的视觉器官, 通常考虑将其作为一个生物力学结构. 眼睛是眼内肌和眼外肌产生压力的系统, 具有复杂的内血管系统,产生流体和溶合物的传导系统. 从生物力学角度看, 眼存在固体生物力学、流体生物力学和生物传输等问题. 本综述中, 介绍眼睛有意义的生物固体力学各方面研究成果及尚待解决的问题, 其研究对象为巩膜、角巩膜、角膜、视网膜、筛板以及眼调节和老花. 回顾测量巩膜力学性质和角巩膜应力－应变性质模型的有关研究成果, 然后论述这些研究成果的应用.巩膜力学另一重要应用是对近视的了解, 即眼的轴长过长使长距离光线不能够清晰聚焦于视网膜而引起近视. 角膜生物力学一个显著的应用是预测激光切开剖面手术, 它将使屈光角膜手术达到最优的术后视敏度. 筛板是眼中最具有生物力学研究兴趣的组织之一, 它是跨过巩膜管的多孔的结缔组织. 推导出青光眼的视神经病的力学理论.证据表明围绕着睫状肌的结蹄组织发生变化可能妨碍它的自由收缩的能力, 因此老花的病理学原因可能是多因素的.      

新型让压锚杆作用机理研究

软岩大变形工程存在因开挖卸荷导致较大的应力释放,在工程施工过程中将会产生较大变形的特点,如沿用传统的锚杆进行支护,岩体的大变形所产生的过大拉力将会造成锚杆的拉断破坏.针对软岩大变形工程存在的该类问题,介绍了一种新型的端部具有让压装置的新型压力分散型让压锚杆,并对该让压锚杆的作用机理和力学行为进行分析,得出锚固体的作用机理与传统压力分散型锚杆相比分为3个阶段,并通过试验的方式确定了该让压锚杆的让压力.这种新型让压锚杆在将锚固体压力分散的同时,实现大变形的让压,适宜在大变形工程中进行应用.     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或"牵引式滑坡"。     

人眼晶状体调节机制和力学

晶状体是人眼屈光系统的核心,其视觉调节过程由睫状肌、悬韧带和晶状体共同实现:通过睫状肌牵引悬韧带运动,引起晶状体变形(变凸或扁平),从而改变眼睛的屈光力,使得眼睛聚光的焦点准确地落在视网膜上,最终产生视觉.晶状体的视觉调节从本质上说是一个力学问题,调节过程的实现与视觉质量紧密相关;同时调节机制也是最常见的眼部老化退行性疾病--老视的核心问题.本文介绍了晶状体调节的各种理论假说及其发展,并概述了晶状体的力学性能.     

三组结构面状态下不同产状结构面的力学效应研究

本文分析了三组结构面产状模型力学实验结果, 揭示了这种组合条件岩体中产生压剪区、张剪区及结构面、结构体的多种变形成分, 也揭示了压剪区和张剪区形成机理、及三组结构面组合下结构面产状的力学效应。     

生长对超弹性球壳变形和稳定性的影响

应用连续介质力学有限变形理论建立受内压作用不可压超弹性球壳大变形问题的力学模型, 且运用基于变形梯度张量极分解的弹性体积生长理论分析生长对不可压超弹性球壳变形和稳定性的影响. 通过对球壳变形与内压关系式的数值计算得到不同生长条件下球壳的变形曲线和应力分布曲线及由生长引起的残余变形和残余应力分布. 计算结果表明生长对球壳变形特性有明显的影响, 生长影响球壳可产生不稳定变形的临界壁厚和临界内压, 且在某些情况下可改变球壳的稳定性. 生长在球壳中可产生一定的残余变形和残余应力, 对球壳中的应力分布有一定的影响. 另外当生长的程度足够大时, 即便没有外力作用,球壳仅在生长引起的残余应力作用下也可产生不稳定变形.      

小尺寸低碳钢试件吕德斯效应的三维数字图像相关测量

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低.为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要.采用小视场(15 mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

MEASUREMENT OF LÜDERS BAND IN SMALL SIZE LOW CARBON STEEL SPECIMEN BY 3D DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低. 为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要. 采用小视场(15mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

鸟类羽毛在气流中变形的力学特性研究

鸟类羽毛在飞行中的物理性质是仿生力学关心的重要问题之一.基于CFD/CSD数值模拟方法研究了羽毛微结构在气流作用下的变形和力学特征,揭示了鸟类静止时羽毛蓬松、而在飞行状态下紧贴皮肤表面保持表面光滑的物理机制.首先,通过对鸟类羽毛在显微镜下的观察,将羽毛分解成典型简单微结构以模仿羽枝单元,从而对羽毛外形和结构进行建模,之后,采用CFD/CSD方法分析比较了两种典型羽枝模型结构(片状和枝状羽枝单元)的变形和力学特征,最后,基于上述片状羽枝模型进一步研究了来流方向对羽枝变形的影响机理及多根排列羽枝的变形和力学特征.结果表明:在一定风向的范围内,羽毛在气流下都具有保持紧贴皮肤表面的变形趋势,这种紧贴壁面的趋势只有在气流与羽轴几乎垂直时才会改变;在来流侧滑角为45°时,羽枝沿皮肤表面法向下压的变形最为显著,尖端位移达原始高度的约97%;多根排列的羽枝在顺流方向气动载荷逐渐下降,与迎风首根羽枝最大差距约11%.此研究工作对于理解鸟类飞行时羽毛的力学特性有明确的学术价值.     

A modified relation between the intraocular and intracranial pressures

A modified relation between the intraocular and intracranial pressures is presented by employing the least square method to fit the existing experiments. Relative analysis here indicates that this modified relation not only is better than the previous relation by comparing with the existing experimental data but also overcomes the induced singularity in applying the existing mechanical models to compute the mechanical properties of the lamina cribrosa. The present study will be a beneficial help to understanding the relationship between the intraocular and intracranial pressures and even glaucomatous developing.     

Perspectives on biomechanical growth and remodeling mechanisms in glaucoma

Glaucoma is a blinding diseases in which damage to the axons results in loss of retinal ganglion cells. Experimental evidence indicates that chronic intraocular pressure elevation initiates axonal insult at the level of the lamina cribrosa. The lamina cribrosa is a porous collagen structure through which the axons pass on their path from the retina to the brain. Recent experimental studies revealed the extensive structural changes of the lamina cribrosa and its surrounding tissues during the development and progression of glaucoma. In this perspective paper we review the experimental evidence for growth and remodeling mechanisms in glaucoma including adaptation of tissue anisotropy, tissue thickening/thinning, tissue elongation/shortening and tissue migration. We discuss the existing predictive computational approaches that try to elucidate the potential biomechanical basis of theses growth and remodeling mechanisms and highlight open questions, challenges, and avenues for further development.     

深厚覆盖层在水库蓄水后渗流场变化情况下稳定性分析

渗流场对深厚覆盖层的影响主要表现在渗水对覆盖层的物理化学以及力学方面的作用。本文以金沙江鲁地拉水电站库岸典型地段的深厚覆盖层在蓄水后的稳定性为研究实例。在现场深入调查,查明地质结构、深厚覆盖层的物质组成、分层特征、粒度组成、物理力学性质及渗透参数的基础上,利用三维有限元程序对覆盖层的变形破坏进行了计算,分析水库蓄水后渗流场的变化对深厚覆盖层的影响。分析结果表明,江水抬高5m后,渗流场发生变化。受渗透压力的作用,覆盖层在平行河流和垂直河流方向变形位移不同,平行河流方向最大变形量为50cm,垂直河流方向的最大变形量为133cm,地面最大沉降量为188cm,如此大的变形将会造成覆盖层的变形破坏,进而影响其上部建筑物和公路的安全。     

复合材料内多处横向冲击损伤的光纤图像检测

基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点,提出了检测层板内部发生多处横向冲击损伤的重构算法．根据光纤损伤图像检测系统获得的图像信号,可实时、定量、直观重构并显示出层板内部各处损伤的位置和各处的损伤程度．在复合材料多点冲击损伤检测试验中,屏幕显示的损伤图示与对半透明试件同时做反向照明检测的结果相一致,证实了重构结果的正确性     

THE USE OF VISCO-ELASTOPLASTIC DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL TO SIMULATE NONLINEAR BEHAVIOR OF CONCRETE

A visco-elastoplastic damage constitutive model is proposed for simulating nonlinear behavior of concrete. Based on traditional plastic theory, the irreversible deformation is simulated in effective stress space. In order to reflect different stiffness degradation mechanism of concrete under tensile and compressive loading conditions, both tensile and compressive damage variables are introduced, and then on the basis of energy release rate, the model is firmly derived within the concept of irreversible thermodynamics. The rate-dependent model is considered by introducing viscous regularization into the inelastic strain and damage variable, and combined with an additional elastic condition. Fully implicit backward-Euler algorithm is used to perform constitutive integration. Results of numerical examples using the proposed model agree well with test results for specimens under uniaxial tension and compression, biaxial loading and triaxial loading. Failure processes of single-edge-notched (SEN) beam and double-edge-notched (DEN) specimen are also simulated to further validate the proposed model.     

压电切口张开角和深度对其尖端力电损伤场的影响

基于三维各向异性压电损伤本构理论,导出了广义平面应力问题的损伤本构方程,并据此分析了压电薄板板边V形切口尖端附近的力电损伤,研究了切口张开角和深度对切口尖端力电损伤的影响规律．结果发现：和张开角对切口尖端损伤的影响相比,深度的影响更为明显;在张开角对切口尖端力损伤的影响规律方面,压电材料与一般弹塑性材料存在明显差异,原因在于压电切口尖端力电载荷比会随着深度的改变发生很大变化;不同深度下张开角与切口尖端力、电损伤关系曲线随着张开角的增大由发散逐渐会聚,不同张开角下深度与切口尖端力、电损伤关系曲线随着切口加深由会聚逐渐发散,并且电损伤曲线表现得更为明显．     

混合数值-实验方法识别人工晶体本构模型参数

利用混合数值-实验材料参数识别方法成功识别出人工晶体本构模型参数, 并利用识别后的参数对人工晶体植入囊袋的过程和运行状态进行了数值模拟. 参数识别结果显示, 在一定的变形范围内Mooney-Rivlin模型可以描述人工晶体的力学特性并能得到很好的识别精度. 这一方法能够在很大程度上解决生物医学领域材料力学性能参数难以获取的问题, 为有限元数值模拟技术在生物医学领域的进一步广泛应用打下了基础.      

Damage analysis and fracture criteria for piezoelectric ceramics

Both the mechanical and the electrical damages are introduced to study fracture mechanics of piezoelectric ceramics in this paper. Two kinds of piezoelectric fracture criteria are proposed by using the damage theory combined with the well-known piezoelectric fracture experiments of Park and Sun [Fracture criteria of piezoelectric ceramics, J. Am. Ceram. Soc. 78 (1995) 1475-1480]. One is based on a critical state of the mechanical damage and the other on a critical value of a proper linear combination of both the mechanical and the electrical damage variables. It is found that the fracture load predicted, which takes the mechanical damage into account only (mode 1), has greater deviation than predicted result by considering a proper linear combination of the mechanical and the electrical damages (mode 2). And the fracture criterion corresponding to mode 2 presented is shown to be superior to mode 1. It is also demonstrated that the mechanical damage has greater effect on fracture than the electrical damage.     

Damage model of elastic rubber particulate composites

A discrete structural model is developed to simulate the behavior of randomly filled rubber particulate composites. Adopted is physical discretization approach for small linear deformations. It is expanded to systems for large elastic deformation that account for structure rearrangement and microdamage accumulation. The life cycle of the material is examined from its virgin state to multiple debonding of matrix from inclusions (primary damages) and growth of microcrack (secondary damages) corresponding to final macrofailure. Both macroscopic (tensile curves) and microscopic (primary and secondary damage accumulation) changes are evaluated for extensional loading. Effective strength characteristics scatter depending on filler concentration is calculated.