骨骼肌收缩的生物电化学变频调控原理——基于分子马达运行机制的骨骼肌生物力学原理（Ⅱ）

以骨骼肌肌纤维中的肌小节为对象,建立了肌膜动作电位活动与由动作电位引发的肌小节内Ca2＋浓度变化的生物电化学模型,并给出了相应的数学描述;以此模型为基础,从控制学角度阐明了由分子马达集体运作产生的肌纤维稳态收缩功率的调控方式,即作为控制信号的动作电位如何调控作为驱动信号的Ca2＋浓度,及其间接调控肌纤维等长收缩力的原理与相关特性,并设计实验对收缩力与动作电位激励频率之间的关系进行了验证;相应地,本文进一步阐述了动作电位对肌纤维的动态收缩功率的调控方式是变频控制,并导出了从动作电位频率变化到肌小节内Ca2＋浓度变化的传递函数,分析了肌纤维收缩的频域特性.另一方面,由理论分析的结果出发,提出了表征从控制信号触发到肌纤维开始收缩的最小滞后时间——＂肌电时间常数＂的概念,最后讨论了肌纤维收缩的变频控制方式的物理内涵及其合理性.     

分子马达集体运行机制及肌小节动态力学模型

分子马达的集体协作运行机制尚未有效揭示清楚,本文以骨骼肌中的肌小节为研究对象,利用非平衡态统计力学方法分析肌球蛋白分子马达的集体运行特性,构建肌小节系统的动力学方程和概率密度函数的Fokker-Planck方程,推导出肌小节主动收缩力学模型.根据分子马达的实际状态对模型进行化简,利用状态跃迁速率计算分子马达位移变量的概率密度分布,重点讨论了[ATP]和负载力对概率密度、主动收缩力以及收缩速度的影响,分析可知随着[ATP]的增大,收缩力和收缩速度也逐渐增大,在[ATP]饱和后,肌小节的收缩力和收缩速度保持不变;收缩速度随着负载力的增大逐渐减小到零;收缩力与肌小节的长度关系和粗细肌丝的有效作用长度有关,随着有效长度减小而减小.以上分析与Hill描述的肌肉宏观特性比较吻合,验证了模型的有效性.     

三元复合驱化学剂浓度变化的实验研究

本文建立了一套长细砂管物理模拟系统,在长细管物理模型不同位置上布置多个测压取样点,通过实时测量压力变化与采集样品检测化学剂浓度变化,研究三元复合驱化学剂在多孔介质中传质规律和浓度变化特征. 从模型进口到模型出口,化学剂浓度都是逐渐下降的,在驱替前沿上升速度快,在驱替后沿降低速度缓慢, 化学剂浓度变化是非对称、有偏移的变化过程. 化学剂的运移速度由大到小分别是聚合物、碱和表面活性剂, 在模型进口附近化学剂的运移滞后和综合扩散强, 化学剂的运移速度快, 3种化学剂之间的运移速度差大, 化学剂的色谱分离明显. 在模型出口附近化学剂的运移滞后和综合扩散减弱, 化学剂浓度降低, 运移速度小, 运移速度差变小, 化学剂的色谱分离现象变弱. 化学剂的吸附滞留率随着距离是逐渐增加的, 聚合物吸附滞留最严重.     

基于H-J-C本构模型的掘进机截齿破岩过程的数值模拟

针对掘进机实际外负载难以获取及其载荷特性难以正确把握的现状,提出了利用接触动力学、岩石力学和有限元法等理论和方法构建在显示动力学分析程序LS-DYNA环境下基于H-J-C本构模型的截齿与岩石的接触动力学模型数值模拟平台;利用该平台对掘进机镐形截齿的横摆破岩过程进行了数值模拟,得到了截齿受到的三向阻力曲线;通过载荷特性分析,验证了所得载荷曲线的准确性,并获得了某工况下截齿载荷的主要频率结构;分析了截齿的碎岩机理,发现岩石的破碎是与截齿直接接触的岩石的拉压应力和其周边的剪切应力集中综合作用的结果.     

关于X射线脉冲星导航的轨道力学问题

X射线脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为信息输入,经过相应的信号和数据处理,为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等导航信息的实现过程.本文在概述X射线脉冲星导航概念和原理的基础上,重点研究利用X射线脉冲星导航的航天器轨道力学模型以及时钟系统状态方程.并通过数值分析试验,定量分析基于X射线脉冲星的导航卫星轨道确定与时间同步的可行性,初步论证X射线脉冲星导航与航天器轨道力学模型的基本关系.     

材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律

高速切削作为一门先进制造技术已经在工业生产中得到日益广泛的应用,对高速切削过程切屑形成机理的研究有助于进一步发挥高速切削技术的优势和促进高速加工装备的发展,同时可指导优化切削参数、控制切屑形态以改善加工表面质量.高速切削切屑形态变化是工件材料在不同切削载荷下表现出的动态力学性能差异所致.弄清楚高应变率下材料动态力学性能有利于揭示高速切削切屑变形与失效机理,同时高速切削实验的合理设计与应用可以成为材料在高应变率下动态力学性能的新型测试手段.本文以高速切削过程工件材料动态性能变化对切屑形成的影响为主线,结合我们在高速切削切屑形成机理方面多年的研究成果,对高速切削过程中工件材料的强度、塑脆性和微观组织变化等方面进行了综述分析.阐明了高速切削条件下碎断切屑形成的力学条件,指出了传统切削理论在应力状态对切屑变形和失效的影响机理、切屑微观组织演化等方面研究存在的不足,最后对未来的超高速切削切屑形成机理研究进行了展望.     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.     

DSOM: 一种基于NO时空动态扩散机理的新型自组织模型

研究了神经信号传输中, 内源性一氧化氮(NO)的四维动态扩散特性及其在长时程学习过程中的增强作用. 将NO扩散机理建模后与Kohonen自组织映射模型相结合, 在空间SOM基础上引入时间增强, 提出了新型的动态扩散型自组织映射模型, 计算了最优化权值的误差函数, 并分析比较了该模型与SOM中噪声干扰对训练的影响. 最后结合多项典型的一维和二维输入模式,给出自组织映射模型与扩散型自组织映射模型的仿真结果对比.     

基于Cluster卫星观测的太阳风热流异常事件的分析研究

太阳风热流异常(HotFlow Anomalies,简称HFAs)是在地球弓激波附近发生频率较高的现象.本文利用Cluster卫星2003～2009年的数据,找出7年中观测到的765个HFA事件.本文采用个例分析方法研究HFA事件中心前后5min,进而采用时间序列叠加分析方法研究HFA事件中心前后100s中等离子体和磁场参数的变化.研究结果表明HFA事件按照动压随时间的增加、减少变化趋势可以分为"?+"(减小-增加),"+?"(增加-减小),"M"(增加-减小-增加)和"W"(增加-减小-增加-减小-增加)四类,其中字母表示其形状与动压变化趋势类似.其他参数变化趋势与动压的变化趋势高度相关,也相应呈现明显分类规律.此外,统计结果显示,HFA事件发生数量在不同年份有所差别,通过与太阳风速度和太阳黑子数的对比发现,事件数量与太阳风速度呈正相关而与太阳黑子数代表的太阳活动性不存在显著的相关关系.本文的结果为我们深入研究HFA事件形成机制、结构演化等问题提供了参考依据.     

基于场协同原理的换热器控制过程研究

基于场协同原理,评价不同调节方式下换热器控制过程的过渡品质。通过建立板式换热器的动态特性数学模型并进行数值仿真计算,模拟不同调节方式下板式换热器的动态过渡过程,然后基于换热器自组织能力系数,将温差场均匀性因子的变化量与过渡时间相结合,用以评价不同调节方式下换热器控制过程过渡品质的优劣。结果发现指数调节方式下目标流体的出口温度偏差最小,过渡时间最短,场协同效果最优,线性调节方式次之,阶跃调节方式最差。     

降雨入渗过程中土质边坡的固-液-气三相耦合分析

边坡降雨入渗过程伴随着地下水湿润锋面的推进、孔隙气体的迁移和土体的变形,涉及土体固-液-气三相耦合作用.以往对边坡在降雨入渗条件下的非饱和渗流过程及其对边坡稳定性的影响研究大多基于单相流（Richard方程）模型或水-气两相流模型,而较少从固-液-气三相耦合角度分析孔隙气体迁移和土体变形对降雨入渗过程和稳定性变化过程的影响.本文基于连续介质力学原理和混合体理论,建立了边坡土体固-液-气三相耦合数学模型和有限元数值模拟方法.采用Liakopoulos砂柱排水实验成果验证了耦合模型和计算程序的正确性,深入分析了气体边界条件对排水过程的显著影响.在此基础上,采用固-液-气三相耦合模型,研究了土质边坡在降雨入渗过程中的地下水渗流、气体迁移以及变形和稳定性演化过程,揭示了孔隙气体迁移过程和土体变形过程对边坡湿润锋面的推进以及稳定性变化的阻滞和延缓作用.研究成果对于暴雨诱发滑坡机理与防治研究具有一定参考价值.     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

基于Fluent的离心泵内部流场数值模拟

在对比了FLUENT中所提供的湍流模型以后,选取了应用范围较广的标准k—ε模型。计算完成后,分析IS100—85—250型离心泵在额定工况下和非额定工况下整机流场的速度压力分布,发现整体上的流场分布情况跟理论分析一致,而且也十分符合叶轮和蜗壳的设计原理。为了验证整机流场分析的准确性和可靠性,对该离心泵进行了性能试验,并作出了预测性能曲线,就离心泵的特性曲线进行了分析。通过扬程一流量、轴功率一流量、效率一流量特性曲线,得出模拟计算与理论分析基本吻合。最后对模拟计算作了总结。     

基于Simulink的铲运机连杆机构动力学建模

连杆机构是地下铲运机的重要工作装置，其设计质量、动力学特性直接影响整机的生产率、工作性能。本文利用拉格朗日原理建立了地下铲运机连杆机构六连杆组铲掘过程和举升过程的动力学模型，得到了连杆的初始位置角与液压缸提供的转矩之间的关系，并在Matlab／Simulink中建立相应的模块图，为转矩的设计提供了依据，为地下铲运机连杆机构的动力学仿真及动态性能研究奠定了基础。     

金属多晶体晶粒长大时晶界的迁移行为

为克服传统三维多晶体晶粒正常长大基本理论的缺陷,以棱边或角隅迁移带动晶界迁移的方式推导出了新的晶粒长大关系式.以凯尔文十四面体为晶粒的基本形状,分析了多晶体晶粒长大时棱边及角隅密度的变化规律及其对晶粒长大速度和迁移激活焓的影响.以实验Fe-3%Si合金为例,用新关系式对其晶粒长大过程进行了模拟计算.结果显示,棱边或角隅迁移带动晶界迁移所反映出的规律,尤其是角隅迁移,更接近真实晶粒的长大过程,传统关系式中的缺陷得到明显改进,所推算激活焓的变化趋势也与实际观察相符.新关系式尚未能考虑金属三维多晶体中第二相粒子及溶质原子的作用,因此与实际观察结果尚存差异,有待进一步完善.     

基于广域瞬时量测信息的复杂受端电网动态频率量化评估与预警方法研究

在深入研究电力系统动态频率响应过程的基础上,提出了一种基于广域瞬时量测信息的复杂受端电网动态频率量化评估与安全预警方法.基于电力系统简化频率响应模型（SFR）的基本特征,定义了一种仅依赖于扰动初始时刻量测信息的量化评估指标,该指标物理意义清晰,指标数值能够客观的反映系统动态频率的安全状态.本文提出的量化评估指标具有单调性和平滑性较好,计算简单且易于实现等优点.多机系统算例仿真计算与分析结果论证了指标的可行性和有效性.     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.     

极性分子对甲基丙烯酸丁酯/丙烯酰胺共聚合的影响

以自由基本体聚合方法制备了甲基丙烯酸丁酯/丙烯酰胺(BMA/AM)共聚物.将极性分子环己醇引入到BMA和AM的共聚体系中,研究了环己醇对单体转化率和BMA/AM共聚物特性黏度的影响.随着环己醇加入量的增加,AM在反应体系中溶解的量明显增大,单体转化率增加,BMA/AM共聚物的特性黏度存在峰值.借助傅里叶变换红外(FTIR)、核磁共振(13C NMR)、动态力学分析法(DMA)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析法(TGA)研究了环己醇对BMA/AM共聚物的结构和性能的影响,结果表明:AM只能与BMA进行共聚反应,随着环己醇的加入量的增加,BMA/AM共聚物的含量将增加,由此发泡阶段的酰亚胺化反应程度就越高,BMA/AM共聚物分子链中的酰亚胺环结构就越多,从而显著提高BMA/AM共聚物的性能,有望制备高性能的聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫塑料.     

交叉敏感情况下多传感器系统的动态特性研究

讨论了具有交叉敏感的传感器组成的多传感器系统的动态特性及其对系统检测精度的影响. 提出了将该多传感器系统看作一个线性滤波器与一个无记忆非线性函数的串联系统, 即Wiener系统, 把后续的信息融合系统看作一个无记忆非线性函数与一个线性滤波器的串连, 即Hammerstein系统. 在静态标定的基础上, 用盲解卷积技术求得Hammerstein的线性滤波器系数矩阵. 针对盲解卷积技术复现信号幅值不确定性的缺点, 提出了一种根据逆滤波器系数矩阵与静态标定的线性矩阵的同一性校正滤波器系数矩阵的方法, 以获得多传感器系统的近似逆向动态模型, 提高了多传感器系统在实际检测过程中的检测精度, 降低了动态检测结果失真度, 满足了实际情况的需要. 最后的仿真结果表明, 输入信号频率接近采样频率1/10时, 用盲解卷积技术获得的幅值复现误差是未经过动态补偿的幅值复现误差的1/20, 是各传感器单独动态补偿后幅值复现误差的1/2, 快速性提高了2倍. 金属氧化物半导体甲烷传感器的动态补偿结果表明, 在温度阶跃响应下, 补偿后的甲烷检测误差小于补偿前的1/2, 因此这种方法拓宽了多传感器系统的带宽.     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.