蜗窗激励评价的有限元计算模型研究

蜗窗驱动是实现中耳听力装置与耳蜗耦合的新途径. 利用外耳道、中耳和耳蜗集成有限元模型, 分别模拟外耳道声激励经听骨链、前庭窗传入内耳的正向传递过程和蜗窗机械激励在耳中逆向传递过程, 计算获得中耳和耳蜗的传递函数. 比较蜗窗激励和外耳道激励下耳蜗基底膜的振动, 提出了以基底膜最佳反应部位位移相等为准则的蜗窗等效激励力计算方法. 理论计算获得的蜗窗等效激励力与相关文献根据实验数据预测结果一致. 计算结果还表明耳蜗窗正、逆向激励时, 基底膜上最佳反应部位无变化, 但在蜗窗逆向激励耳蜗时, 低频下驱动基底膜运动的效率比高频时低. 所获得的理论结果可为蜗窗驱动的听力装置设计和现有装置的应用提供参考.     

Response suppression and transient behavior in a nonlinear active cochlear model with feed-forward

A nonlinear active cochlear model is used to simulate the steady-state frequency response and transient response to clicks of the basilar membrane. The model includes the three-dimensional viscous fluid effects, an orthotropic cochlear partition with dimensional and material property variation along its length, and a nonlinear active feed-forward mechanism to represent the activity of the outer hair cells. A hybrid asymptotic and numerical method is used to provide a fast and efficient iterative procedure for modeling and simulation of the nonlinear responses in the active cochlea. The simulation results exhibit some of the characteristic nonlinear behavior of the basilar membrane commonly observed in experimental measurements, such as significant amplification and sustained “ringing” in the transient response at low stimulus level. The simple feed-forward mechanism is able to capture the properties of the noncausal active process in the cochlea without a second filter or resonance.     

ADVANCE IN BIOMECHANICS OF HUMAN EAR AS HEARING SYSTEM

耳是人体重要的听觉器官. 人耳是一个典型的在声波激励下的传导振动,继而将振动转变成听神经纤维的脉冲发放结构. 建立完整有效的人耳结构生物力学模型,研究它的生物动力学行为,有助于我们认识和分析人耳的传音及感音机理,研究人耳病理状态下和手术后的传声及感音机制的变化,进一步为研究相关临床疾病的生物力学机制提供理论依据. 本文总结了人耳听力系统生物力学模型及临床应用的研究进展,并展望了今后的研究工作.     

Mechanical problems in momentous projects of aerospace engineering

近年来, 我国航天重大工程蓬勃发展, 航天工程中新的力学问题不断涌现, 开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展, 其面临的发射和运行环境也更加恶劣, 发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出. 大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求, 而高精度、高分辨率的观测需求, 为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题. 同时, 这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求, 在这些领域, 各国学者也积累了一定的成果. 本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题, 从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述. 内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面, 同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.     

RESEARCH PROGRESS OF LOCKED-IN STRESS IN ROCKS1)

封闭应力对岩石力学特性的影响不容忽视。从陈宗基提出岩石的封闭应力定义以来,研究的学者较少。本文从前人对封闭应力的定义出发,结合岩石力学发展现状,对封闭应力概念进行了拓展,提出了新的定义。将岩石力学研究中符合封闭应力定义的应力形式进行了归纳和分类,总结了各类封闭应力的变化规律及其计算公式,讨论了封闭应力与地下工程开挖之间存在的关联性及其影响的表达形式。本文对于推动封闭应力的深入研究具有积极意义,将为解释深部岩石力学特殊现象提供新的途径。     

THE STATIC PROPERTIES OF CONIC CURVE

利用解析几何与分析力学,得出均质细杆处在光滑的圆锥曲线内壁中受力平衡和处于稳定平衡状态的条件,并得出圆锥曲线的静力学性质：将均质细杆过焦点倾斜放入光滑的圆锥曲线内壁中,细杆受力平衡且处于稳定平衡状态。另外用圆锥曲线的光学性质证明其静力学性质。     

Boundary-integral modeling of cochlear hydrodynamics

A two-dimensional model that captures the essential features of the vibration of the basilar membrane of the cochlea is proposed. The flow due to the vibration of the stapes footplate and round window is modeled by a point source and a point sink, and the cochlear pressure is computed simultaneously with the oscillations of the basilar membrane. The mathematical formulation relies on the boundary-integral representation of the potential flow established far from the basilar membrane and cochlea side walls, neglecting the thin Stokes boundary layer lining these surfaces. The boundary-integral approach furnishes integral equations for the membrane vibration amplitude and pressure distribution on the upper or lower side of the membrane. Several approaches are discussed, and numerical solutions in the frequency domain are presented for a rectangular cochlea model using different membrane response functions. The numerical results reproduce and extend the theoretical predictions of previous authors and delineate the effect of physical and geometrical parameters. It is found that the membrane vibration depends weakly on the position of the membrane between the upper and lower wall of the cochlear channel and on the precise location of the oval and round windows. Solutions of the initial-value problem with a single-period sinusoidal impulse reveal the formation of a traveling wave packet that eventually disappears at the helicotrema.     

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系简

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.     

Load-unload response ratio——An interplay between earthquake prediction and mechanics

地震预测是世界性科学难题,地震现象虽然复杂其物理实质倒是明确：地震就是地壳块体的快速剪切脆断,相应地,地震的孕育过程就是震源区介质的损伤、演化,并最终导致破坏的过程,这一过程主要是力学过程,抓住这一点就抓住了问题的物理本质,但是,在研究地震预测时遇到的力学问题和通常的（工程）力学问题有所不同,根据地震问题的特点,紧扣地震孕育过程的物理本质,提出了加卸载响应比这一地震预测新思路.
文中介绍了加卸载响应比理论的基本科学问题,包括如何对地壳加载/卸载,如何选择适当的地球物理参数作为响应量,以及怎样定义加卸载响应比,用实验研究、数值模拟和理论分析3 种基础研究手段,揭示了地震孕育过程中加卸载响应比共同的演化规律：孕震初期加卸载响应比在1 附近涨落,之后上升至峰值点,地震不在峰值点发生,而是在下降过程中发生,从峰值点到地震发生这段滞后时间称为T₂,T₂ 和震级有关,为了预测地震,必须在全国范围内作加卸载响应比的时空扫描,在时空扫描基础上,结合量纲分析,更多地考虑当地的地球物理条件,拟定了全面预测未来地震的时、空、强的思路,回顾了用这种思路进行地震预测实践的历程,     

Force on inner hair cell cilia

The cochlea of the inner ear transforms the incoming sound pressure into neural excitation. Despite extensive experiments and modeling for the past century, understanding the behavior of the cochlea is far from complete. With an efficient program (Fast4) for shell of revolution structures, all mechanical (elastic) details of the curved cochlear cross-section and the organ of Corti can be computed. Based on the known values for the elastic moduli of the protein fibers and estimates for the geometry, the responses to point and pressure loads have been calculated which are reasonably close to the direct measurements. In the present work, the details of the inner hair cell are included, with a fluid gap between the tip of the cilia and the Hensen stripe of the tectorial membrane. A simple model for the near contact indicates nonlinear response similar to the intracellular recordings. This near contact is included into a more complete elastic model for the organ of Corti that includes three rows of cilia and tip links. The phase of the maximum tension of the tip link, which causes excitation of the cell, is computed for low frequencies for comparison to measurements. For low frequencies the fluid motion in the organ of Corti is approximately two-dimensional. The phase is found to be affected by: (1) geometrical difference between basal and upper turns of the cochlea, (2) initial gap spacing between the tip of the cilium and the Hensen stripe, (3) initial gap spacing between the tip of the cilium and the tectorial membrane, (4) presence of an electrode probe constraint on the motion of the inner hair cell, and (5) the stiffness of the tectorial membrane. The latter is the most significant. For a soft tectorial membrane, the excitation is generally between maximum velocity and displacement of the basilar membrane toward scala vestibuli. However, for a stiff tectorial membrane, the phase changes to an excitation with velocity and displacement toward scala tympani. Thus a possible mechanical reason is offered for the auditory nerve excitation in the base of the chinchilla cochlea for basilar membrane velocity toward scala tympani and in the middle and upper turns of the guinea pig cochlea, excitation for velocity toward scala vestibuli.     

ON THE REAL DISPLACEMENT AND THE VIRTUAL DISPLACEMENT——AN IN-DEPTH DISCUSSION STARTING FROM THE CONCEPT OF NULL-WORK CONSTRAINT

阐述了分析力学中“理想约束”与理论力学动能定理部分“理想约束”概念的区别,举例说明了由此同名可能导致的问题,并建议在动能定理部分使用“无功约束”或“零功约束”的概念,以保持力学概念的一致性和独立性;对微分形式的动能定理在广义坐标空间进行变换得到了以广义坐标微分为指标的和式形式,并通过与Lagrange 方程的比较及实例论证了不能由此而得到系统动力学方程的原因。上述内容均从不同侧面反映了实位移与虚位移的本质区别,因此可作为对实位移与虚位移概念进行深刻理解的一种途径。     

污染区对部分打开井井底压力响应的影响

钻井造成的污染区对部分打开井的影响不同于裸眼井. 为了分析污染区对部分打开井井底压力响应的影响,建立了一种部分打开井的二维轴对称渗流模型,模型考虑了真实的污染区以及储层渗透率各向异性特征.利用有限元数值方法对模型进行求解,获得了部分打开井的井底压力响应及储层压力分布. 根据压力响应及压力分布特征,将部分打开井的压力响应过程划分为5 个流动阶段,其中早期局部径向流动和椭球流动是该类井最典型的特征. 对污染区的影响分析表明:传统方法中的表皮系数S 并不等于污染区引起的机械表皮系数S_d;无量纲井筒储存系数不能与机械表皮系数组合. 修正了传统方法中部分打开井的井底压力公式,验证了部分打开井的总表皮计算公式,为该类井的井底压力响应解释及产能预测提供理论指导.      

INVESTIGATION ON FATIGUE HYSTERESIS LOOPS MODELS OF FIBRE-REINFORCED CERAMIC-MATRIX COMPOSITES

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.     

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FISH MUSCLE IN VIVO DURING STEADY SWIMMING

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

Biomechanics of stem cells

干细胞生物力学作为生物力学的重要分支和前沿学科,近年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展,已成为生物力学乃至生物医学工程最活跃的领域之一,并对发生物学、干细胞生物学、组织修复、再生医学等相关领域产生重要影响.干细胞具有独特的力学性质,可感知、传递、转导和响应生理力学微环境的改变,从而调控干细胞的生长、分化等功能,体现出典型的力学-生物学耦合特征.本文将对干细胞的力学性质与细胞力学模型、在体力学环境对干细胞生长和分化的影响、干细胞对外界力学刺激的响应等方面加以综述.     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制

颗粒材料在高应力环境下会发生颗粒破碎现象,颗粒破碎不仅影响颗粒材料的力学特性,同时与大量工程问题密切相关.目前的相关研究主要集中在唯象地描述颗粒破碎的演化以及破碎对力学特性的影响层面,对颗粒破碎演化路径的物理机制研究较少.本文基于热力学框架,采用细观力学中细观-宏观的均匀化方法推导了颗粒体系弹性能和破碎能量耗散,并在最大能量耗散的假设下,在热力学框架内,建立了理想化的无摩擦球体颗粒等向压缩过程的弹性-破碎模型,阐述了颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制.由于模型的推导不依赖任何唯象的经验公式,因此模型中包含的参数均有明确的物理意义.模型预测与前人试验结果对比表明,材料的初始级配对弹性压缩模量和破碎应力的影响并不相同:不同分形维数级配对应的弹性体变模量存在极大值,而破碎应力却随着分形维数的增大单调递增;颗粒破碎的演化符合最大能量耗散原理,且颗粒材料的压缩曲线可以分为弹性-破碎-拟弹性3个机制不同的阶段.      

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.      

Flow focusing and jet instability

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

COHESIVE ZONE MODELING OF INTERGRANULAR CRACKING OF INTERMETALLIC COMPOUNDS IN SOLDER JOINTS

为研究焊锡接点金属间化合物微结构对其微观-宏观力学行为的影响,采用Voronoi图算法构造了金属间化合物的晶粒尺度几何模型,通过在晶粒界面配置内聚力界面单元,提出了模拟金属间化合物晶粒界面裂纹起裂、扩展与连通的有限元数值模拟方法。基于该方法,研究了晶粒形状和晶粒界面缺陷对晶界微开裂模式和整体响应的影响,研究了金属间化合物微结构对焊锡接点强度和破坏模式的影响。结果表明,晶粒形状对整体强度影响不大,但对微裂纹开裂模式有影响。当考虑晶界随机缺陷时,强度较低的晶粒界面对整体强度影响较大。金属间化合物层的厚度对焊锡接点强度和破坏模式均有影响,而金属间化合物与焊料界面的粗糙度主要影响焊锡接点的破坏模式。