PNIPAM温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究

水凝胶因其良好的生物相容性及环境刺激响应性而在生物医学领域有着广泛的用途,但仍存在机械强度差、响应速度慢、不能生物降解等缺点。针对这些问题,特别是宏观水凝胶响应慢的问题,我们近年来以具有温度敏感性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝胶为基础,设计制备了一系列生物材料,分别应用于药物控释、生物传感以及组织工程等生物医学领域。我们设计制备了具有良好葡萄糖敏感性的PNIPAM微凝胶,实现了可自我调控的胰岛素可控释放。以PNIPAM微凝胶为基础,提出了新的聚合胶态晶体阵列光学传感方法,设计制备了多种可快速响应的新型生物光学传感器。实现了PNIPAM微凝胶的实时凝胶化,并将其发展成为一种新型的可注射细胞支架材料。进一步利用该体系的可逆性,提出了制备在药物筛选、肿瘤研究以及组织工程等领域有重要用途的多细胞球的新方法。     

杂交有限元构造的正交假设应力场方法

分别对各向同性和正交各向异性材料的假设应力场进行正交化并形成相应的杂交元,由于避免了柔度矩阵求逆运算,从而提高了杂交元分析效率。对各向同性材料杂交元直接利用柔度矩阵特征向量导出了正交假设应力场,其正交性不依赖于材料,因而具有更好的适用性。此外由于不需要借助本征变形模式进行迭代而避免了复杂的数值计算。对于正交各向异性材料提出了一种材料矩阵分裂法对假设应力场进行正交化,研究结果表明,所得的正交应力场只与材料两个主方向弹性模量的比值有关,因而不受横向泊松效应的影响。采用本文方法对2D-4节点单元和3D-8节点单元的常用应力场进行正交化,给出了十分简洁的结果。     

暴雨诱发滑坡的高效无网格大变形数值模拟

渗流与土体的大变形耦合损伤破坏问题是暴雨诱发滑坡数值模拟的重要内容,目前对滑坡的全过程大变形非线性损伤破坏的仿真分析仍是一个难点。本文基于稳定节点积分再生核质点伽辽金无网格法和大变形增量型本构关系,提出了一套能模拟暴雨诱发非饱和土质边坡大变形损伤破坏的高效分析方法。该方法应用拉格朗日稳定节点积分,保证了数值积分的稳定性和高效性;同时采用非饱和土的物理力学性质来模拟降雨过程中边坡土体性质的演化,并以各项同性损伤函数和Drucker-Prager屈服准则反映土体的弹塑性损伤状态。该方法的非局部近似特性可以有效地模拟从剪切带起始到发生滑坡的整个大变形损伤破坏过程。通过典型算例验证了方法的有效性,并研究了滑坡发生时间与降雨强度和初始饱和度的关系。     

无网格动力分析的循环卷积神经网络代理模型

在无网格动力分析中,除了无网格形函数本身构造复杂引入的计算成本,还需要逐步递推求解每个时间步的动力响应,因而计算效率较为低下.本文通过研究无网格离散数据与机器学习训练样本、无网格动力分析递推计算过程与循环卷积神经网络序列信息传递模式之间的本征联系,构建了与无网格法相匹配的循环卷积神经网络设计方法,进而提出了一种无网格动...     

薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法

薄板问题的控制方程为四阶微分方程,因而当采用伽辽金法进行分析时,形函数需要满足C$^{1}$连续性要求,且至少使用二次基函数才能保证方法的收敛性.无网格形函数虽然易于满足C$^{1}$连续性要求,但由于不是多项式,其二阶导数的计算较为复杂耗时,同时也对刚度矩阵的数值积分提出了更高的要求.本文提出了一种薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法,该方法的基础是线性基无网格形函数的光滑梯度.在梯度光滑构造的理论框架内,无网格形函数的二阶光滑梯度可以表示为形函数一阶梯度的线性组合,因而可以提高形函数二阶梯度的计算效率.分析表明,线性基无网格形函数的光滑梯度不仅满足其固有的线性梯度一致性条件,还满足本属于二次基函数对应的额外高阶一致性条件,因此能够恰当地运用到薄板结构的伽辽金分析.此外,插值误差分析也很好地验证了线性基无网格光滑梯度的收敛特性.算例结果进一步表明,线性基梯度光滑伽辽金无网格法的收敛率与传统二次基伽辽金无网格法相当,但精度更高,同时刚度矩阵所需的高斯积分点数明显减少.      

基于正交试验法优选红枣中总黄酮的提取工艺研究

采用正交试验优化红枣中总黄酮的提取,以芦丁的含量为评价指标。用12倍原料药的70%乙醇提取2次,每次1h,提取效果最好。该工艺可充分提取红枣中的总黄酮类成分,提高了药材利用率,为进一步研究红枣的有效成分奠定基础。     

Orthogonal basic deformation mode method for zero-energy mode suppression of hybrid stress elements

A set of basic deformation modes for hybrid stress finite elements are directly derived from the element displacement field. Subsequently, by employing the so-called united orthogonal conditions, a new orthogonalization method is proposed. The resulting orthogonal basic deformation modes exhibit simple and clear physical meanings. In addition, they do not involve any material parameters, and thus can be efficiently used to examine the element performance and serve as a unified tool to assess different hybrid elements. Thereafter, a convenient approach for the identification of spurious zero-energy modes is presented using the positive definiteness property of a flexibility matrix. Moreover, based on the orthogonality relationship between the given initial stress modes and the orthogonal basic deformation modes, an alternative method of assumed stress modes to formulate a hybrid element free of spurious modes is discussed. It is found that the orthogonality of the basic deformation modes is the sufficient and necessary condition for the suppression of spurious zero-energy modes. Numerical examples of 2D 4-node quadrilateral elements and 3D 8-node hexahedral elements are illustrated in detail to demonstrate the efficiency of the proposed orthogonal basic deformation mode method.     

水滑石衍生的复合氧化物催化氧化挥发性有机气体的研究进展（英文）

挥发性有机化合物(VOCs)是大气颗粒污染物(PM2.5)和臭氧污染的主要前体物,来源于工业活动(如溶剂使用过程)、汽车尾气以及植物排放等,具有毒性,对人类和自然生命产生危害.催化氧化技术是在催化剂表面,在较低的操作温度(200-450℃)下,将VOCs非均相催化氧化成CO2和H2O,是一种最为有效的分解VOCs的方法,具有副产物少,能耗低的优点.VOCs分解用催化剂主要分为贵金属和金属氧化物两大类.贵金属催化剂活性高,但价格昂贵.因此科研工作者一直在诸多方面调控过渡金属氧化物,例如制备方法、组分协同、结构缺陷等,期望获得高活性、低成本的催化剂.水滑石(LDHs)是一种层状双金属氢氧化物,由带正电荷的金属氢氧化物层板和层间阴离子组成,可以表示为[M1-x^2+Mx^3+(OH)2](An-)x/n·mH2O.鉴于LDHs特有的结构特点,层板元素可调、比例可调等,其在一定温度下煅烧可以得到过渡金属复合氧化物(MMO)材料.由于LDHs的拓扑焙烧转变得到的MMO材料显示出许多利于多相催化反应的优点,如大表面积和多孔性、高热稳定性、良好的金属氧化物分散性等.水滑石基催化材料用于VOCs催化分解也引起了科研工作者的持续关注和研究,文献大多选择苯、甲苯、乙酸乙酯等工业活动中常用的挥发性有机溶剂作为探针分子来评估催化剂的活性、稳定性等参数.本综述将LDHs衍生的VOCs降解催化剂分为4类,整理了其近10年的研究进展:(1)含过渡金属的LDHs焙烧转变成MMO催化剂:系统论述了层板元素组成、层板元素比例、焙烧温度、制备方法等条件对催化活性的影响规律,阐明了不同处理条件下催化剂的物理化学特性(比表面积、孔结构、表面元素价态、氧缺陷、还原性)与催化活性的关联;(2)贵金属/MMO催化剂:比较了贵金属种类、LDHs载体种类、负载方式等因素对催化活性的影响规律,总结了贵金属负载在LDHs载体的优势;(3)核壳型MMO催化剂:分析了在氧化铝球、MOF等载体上原位负载LDHs的方法构筑多级结构的MMO催化剂,利于促进VOCs分解活性;(4)整体型MMO催化剂:满足VOCs分解实际应用,提出铝片基底上原位生长-煅烧制备高活性位点暴露的整体式催化剂的优点.在催化活性基础上着重介绍了水蒸气对活性的影响以及VOCs分解催化机理.同时提出了3点仍需努力的方向:LDHs向MMO拓扑转变机制认识不足;LDHs衍生的催化剂的VOCs分解机制研究不深入;催化剂活性降低-再生研究不透彻.     

等几何修正准凸无网格法

采用等几何B样条基函数的多项式再生条件对无网格形函数的多项式再生条件进行了修正,使得无网格形函数的负值部分明显减少,在域内趋于非负函数,即等几何修正准凸无网格形函数。该准凸无网格形函数仍然具有与传统再生核无网格形函数相似的构造形式,数值实现比较便捷,同时该准凸无网格形函数的多项式再生条件具有准确的修正系数,无需引入额外的人工节点松弛参数。更重要的是,等几何修正准凸无网格形函数可在确保形函数高阶光滑的前提下减小相对支持域,提高计算效率。最后,基于等几何修正准凸无网格形函数对杆梁和膜板结构进行了伽辽金无网格振动分析。结果表明,与标准再生核无网格法相比,等几何修正准凸无网格法具有更优的计算精度。     

无网格法驱动径向基函数前置卷积神经网络

卷积神经网络通过卷积核的移动加权提取样本点的局部特征,而无网格法基于节点信息构造具有核近似特点的形函数进行离散建模,两者的内在相似性为采用卷积神经网络加速无网格计算过程提供了有利条件．但是基于传统卷积神经网络的改进无网格法包含较为繁琐耗时的非线性参数求解．为了克服这一问题,本文充分利用无网格法能够灵活构建数据样本的优点,提出了一种径向基函数前置卷积神经网络模型．该网络通过径向基函数的前置,提前激活输入数据,实现了非线性变换和数据特征维度跃升,随后再将数据传入传统卷积层得到输出．由于所提网络模型具备线性求解的特点,能够有效提升预测精度与计算效率．在数值算例中,通过对比无网格法直接计算结果、传统卷积神经网络和所提的径向基函数前置卷积神经网络预测结果,系统验证了所提网络模型的有效性．