A MECHANICAL MODEL OF CELL DURING INDENTATION BASED ON MEMBRANE THEORY

基于膜理论和细胞压痕实验,本文提出了一种可用于分析细胞变形的新的力学模型,通过对乳胶球和聚氯乙烯(PVC)球进行宏观压痕试验、理论分析以及与不同细胞压痕试验曲线的比较,验证了细胞力学模型的适用性。同时,利用新模型对单个软骨细胞进行了具体的力学分析,得到了细胞的力学参数、细胞膜表面的应力分布等,为单细胞力学特性的研究提供了一种新思路。     

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

一种新型的细胞骨架力学模型

确定细胞骨架的结构和力学特性,建立和完善细胞骨架力学模型,是研究细胞在外界机械刺激下的复杂力学响应的关键。本文基于柔性结构设计中的找形分析,提出了一种新型的细胞骨架力学模型——找形模型。找形模型依靠随机理论生成模型中的单元,利用找形分析确定细胞模型的最终形状,模型更加接近真实的细胞骨架结构。与经典的细胞骨架力学模型(如泡沫模型、张力整合模型、索网模型等)相比,找形模型反映了细胞骨架结构的多样性和复杂性,符合细胞处于预应力状态的试验观测;找形模型计算出的细胞弹性模量为103Pa数量级,与大多数的细胞试验结果相符;另外,找形模型还可以分析细胞骨架组成成分的含量、几何尺寸和力学属性对细胞刚度的影响。     

强化学生力学建模能力的几点思考

本文提出了以培养力学建模能力为载体, 强化力学思维方式的教学思想. 重点以固体力学主干课程为基础分析和讨论了力学模型的概念和要点, 强调了力学基本量和基本原理学习的重要性, 并对力学模型的建模方法、分类、基本原则进行了讨论. 通过理论力学和材料力学的典型例题分析, 举例说明了建模步骤. 最后, 对如何在教学中培养学生力学建模能力、学习要点、学习方法进行了探讨.     

细胞骨架生物力学进展

细胞骨架力学作为力学细胞生物学的一个新兴领域, 其研究方法突破传统细胞力学思想, 不再把活细胞简化为皮质膜包着的弹性、黏性或黏弹性连续介质体, 而是基于在细胞变形和功能中发挥重要作用的细胞骨架离散网络结构, 在微/纳米尺度建立一种集细胞形态和功能于一体的离散网络结构. 这种细胞骨架模型作为细胞变形和生化事件调控的纽带, 能从分子层次上阐述细胞运动、能量转换、信息传递、基因表达等重大生命活动的潜在机制,同时也能解释生物大分子间相互作用、受体/配体特异性相互作用、大分子自装配、细胞及分子层次的力学-化学耦合, 为定量研究细胞-亚细胞-生物大分子等在多种力学刺激下的响应建立了良好的平台, 对于理解生物模式形成、生物复杂性以及解决重大生物学难题具有深远意义. 本文基于细胞骨架三维离散网络结构特点及其生物学背景, 从生物力学角度详细阐述近几年国际上流行的细胞骨架模型理论分析和研究成果的最新进展.      

力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究

细胞膜是细胞与外部环境进行物质与能量交换的界面,是调节细胞正常生命活动的重要结构基础.细胞膜上力敏感受体可通过力学作用方式参与并影响细胞的力信号转导等功能.整合素和钙黏素是细胞膜上典型的力敏感受体,可介导细胞与细胞周围基质或邻近细胞发生力学作用,并将力学刺激信号转导为生化信号,进而激活细胞内一系列应答反应,最终影响细胞生长、分化、增殖、凋亡和迁移等功能.力敏感受体介导细胞功能调控研究已成为探索细胞主动响应外界复杂力学微环境的力学生物学机制的关键,为进一步深入认识生理和病理状态下细胞功能变化规律,为揭示疾病的发生、发展机制提供重要的力学生物学理论与实验依据.本文总结了力敏感受体介导细胞功能调控的国内外研究进展;介绍了黏附界面处典型力敏感受体的结构和功能;总结了这些力敏感受体参与的细胞力信号感知与响应的数理模型;概述了细胞通过力敏感受体进行力学信号转导的过程;介绍了黏附介导细胞功能调控的力学生物学过程和机制;简述了体外构建模拟细胞力学微环境中细胞-细胞外基质和细胞-细胞力学相互作用的技术;指出了力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究发展趋势和未来方向.     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

工科专业背景下材料力学建模能力的培养与实践1)

为了培养学生运用材料力学解决复杂工程问题的能力,在授课时要注重理论分析与试验的结合. 文章在试验观测的基础上,提出基本假定,对梁截面进行受力分析,通过截面的几何关系、材料的物理关系和梁的静力平衡关系,建立钢筋混凝土梁开裂载荷的力学模型,并通过试验对计算公式的准确性进行验证. 力学模型的建立过程体现了运用材料力学解决工程问题的一般方法,提高了学生的学习、科研兴趣,增强了学生的动手能力和试验观测、分析能力,也加深了学生对材料力学基本理论知识的理解,进而培养学生灵活运用材料力学知识解决复杂工程问题的能力.     

流体饱和下高孔隙率储油砂岩力学特性及本构模型

通过对其力学实验结果的分析,以两种破坏理论对油及水饱和下大孔隙率储油砂岩的破坏特征进行了解释,并应用塑性力学的盖帽模型建立了油及水饱和下大孔隙率储油砂岩的本构模型,并应用非线性有限元法进行了数值试验,结果表明,该文提出的模型与实验资料吻合良好,且能较好地模拟大孔隙率砂岩的几种破坏机理及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降.     

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．     

发育生物学中模式形成的力学模型

对所有多细胞生物体而言,其个体发育均涉及由初始的单个细胞开始,经过在时间和空间上细胞有序地增殖、凋亡、分化、迁移等诸多过程,并最终生成物种特异的生物模式.对模式形成的机制的探讨一直是发育生物学的中心课题.目前已就这个问题积累了大量的分子生物学、生物化学、数学、力学等多学科的研究数据并提出了一些模式形成的理论,然而,迄今为止,模式形成的真正机制仍然很不清楚而需进一步的深入探索.本文简要介绍了生物发育过程中模式形成的一些典型的力学模型,重点在于力学模型的建立及其模型本身的介绍,而对其数值模拟和具体应用很少涉及.      

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

脆性断裂的非局部力学理论

本文提出一种脆性材料断裂的非局部力学理论,内容包括:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型Griffith裂纹的非局部弹性应力场,裂纹尖端邻域非局部弹性应力场的渐近形式,脆性开裂的最大拉应力准则。文中给出了这种理论应用于三种基本型裂纹和Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹临界开裂条件的计算结果,并把它们与一些试验资料和最小应变能密度因子理论进行了对比。     

纳米力学进展(续)

概述2002年度在纳米力学方面的若干新进展.在纳观计算力学方面,讨论了在微结构质流演化算法、纳米结构中应变的量子效应算法、LMPM并行算法等方面的进展.在纳观实验力学范畴,着重介绍了立体刻蚀的微加载系统.然后,我们展述了在纳米晶体力学、纳米管力学和纳米压痕力学等方面的新进展.      

骨组织细胞的力学调控研究

力学环境是影响骨组织细胞形成、增殖和功能成熟的一个重要因素. 骨细胞是力学感受细胞, 将力学信号传递给效应细胞; 成骨细胞、破骨细胞为力学效应细胞, 使骨形成和骨吸收处于动态平衡以维持骨力学稳定性. 目前对骨组织细胞间力学调控的机理仍不甚清楚. 综述了骨组织细胞力学生物学作用和细胞间力学调控的一些相关问题. 在概述了成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的生物学特性基础上,阐述了骨重建力学调控理论,成骨细胞、骨细胞和破骨细胞生物力学效应和细胞间力学调控最新研究进展. 最后对骨组织细胞三维网络间力学调控研究做出展望.     

连接结构接触界面非线性力学建模研究

连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因。由于连接界面力学行为的复杂性,以及对连接界面进行直接试验观测的困难,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题。本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood和Williamson, GW)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比。然后考虑连接界面典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证。结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面非线性特征,并与有限元结果吻合较好。      

工程施工路径相关性的数值仿真

本文将损伤理论与时变力学耦联,形成用于模似施工的损伤时变力学方法,文中推导了基本方程和数值化算式。利用时变分析法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析,给出了三种不同路径下开采引起地表沉陷的时空演化图,并进行对比分析。对体现出的位移、损伤与施工路径相关现象进行了探讨,并定量给出损伤时变分析下不同开采路径造成的最终力学状态的差别。本文中损伤时变力学方法为施工过程分析提供了一种新方法与手段。     

“理论力学”名称的由来

本文探讨“理论力学”作为第一门大学力学课程名称的起源和演化。通过对英语、法语、俄语、德语和汉语教材的分析,说明“理论力学”起源于牛顿所称的“理性力学”,由法国学者作为课程名称,并影响俄国和中国有了“理论力学”的课程名称,直到现在。同时英国和美国一度也使用过“理论力学”作为教材名称。     

编织复合材料弹性性能的细观力学模型

提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型，这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈，相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响，并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响．理论计算结果与实测值的比较，表明所提出的细观力学模型是合理的．根据理论分析的结果，提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法