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低温冷冻下颅脑热-力耦合分析

应用数学和力学 2024年第6期45卷 710-718页

作者：陶泽苏丽君刘少宝南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室南京210016

虽然大脑是人体最重要的器官,但其在低温冷冻过程中的热-力耦合机理仍不明晰.该文考虑颅脑特殊形状、多孔弹性、脑脊液流动、颅骨约束以及冻胀效应,建立脑组织低温冷冻热-力耦合模型,通过分析冷冻过程中的温度场、相场和脑脊液冻胀产生... 详细信息

虽然大脑是人体最重要的器官,但其在低温冷冻过程中的热-力耦合机理仍不明晰.该文考虑颅脑特殊形状、多孔弹性、脑脊液流动、颅骨约束以及冻胀效应,建立脑组织低温冷冻热-力耦合模型,通过分析冷冻过程中的温度场、相场和脑脊液冻胀产生的压力场,发现在凝固过程中脑脊液温度保持不变,而脑组织内部最大温差可达20 K.固-液相界面厚度约0.3 mm,推进速度约0.09 mm/s.冻胀产生的脑组织最大位移(~0.12 mm)发生在靠近头盖骨处.固液界面处压力梯度高达500 MPa/mm,而固体和脑脊液内部压力几乎不变.本研究可为人类大脑的低温冷冻保存策略及脑防护提供理论支撑.

关键词：大脑脑脊液多孔弹性冻胀压力

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脑组织热-力耦合行为综述

应用数学和力学 2024年第6期45卷 670-690页

作者：秦璇苏丽君万秀伟陶泽孙学超卢天健南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室南京210016

脑组织是由固相与液相组成的饱和含液多孔材料,固、液、生理环境(尤其温度)之间相互作用,具体表现为脑组织内部温度场、渗流场、应力场相互影响的热-力耦合行为,故阐明脑组织的热-力耦合行为是理解大脑功能和疾病病理的关键.该文首先介... 详细信息

脑组织是由固相与液相组成的饱和含液多孔材料,固、液、生理环境(尤其温度)之间相互作用,具体表现为脑组织内部温度场、渗流场、应力场相互影响的热-力耦合行为,故阐明脑组织的热-力耦合行为是理解大脑功能和疾病病理的关键.该文首先介绍了脑组织的传热学和力学性质,重点关注实验测量及应变率和温度的影响;其次,总结了描述脑组织热-力耦合行为的数理模型,包括力学模型、传热学模型和热-力耦合模型;最后,对该重要学科交叉领域进行了总结和展望.

关键词：脑组织力学性质热物性热-力耦合

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含液金属蜂窝夹芯梁抗冲击性能研究

爆炸与冲击 2024年第6期44卷 60-72页

作者：高辉遥赵振宇张磊张杜江张智扬卢天健南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工业和信息化部重点实验室江苏南京210016 海军研究院北京100161

提出了含液金属蜂窝夹芯结构的防护方案;设计了含液金属蜂窝夹芯结构的制备方法,以满足结构内液体的密封、液体含量以及填充位置可调控的需求;并通过冲击实验获得了结构在不同冲击速度下的动态响应,同时采用有限元方法进一步讨论了冲击... 详细信息

提出了含液金属蜂窝夹芯结构的防护方案;设计了含液金属蜂窝夹芯结构的制备方法,以满足结构内液体的密封、液体含量以及填充位置可调控的需求;并通过冲击实验获得了结构在不同冲击速度下的动态响应,同时采用有限元方法进一步讨论了冲击速度、液体含量对结构抗冲击以及冲后振动特性的影响。研究结果表明含液结构的抗冲击表现优于无填充结构,且含液结构抗冲击、冲后振动特性受含液量的影响,当芯体内充满液体时结构可获得最优的抗冲击性能。

关键词：金属蜂窝夹芯结构含液结构抗冲击冲后振动

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超声波力学治疗学

应用数学和力学 2024年第6期45卷 787-802页

作者：林姝娟郭曜华齐兵刘少宝南京航空航天大学航空学院航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 南京航空航天大学航空学院多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室南京210016

超声波作为一种非侵入性干预或调控手段在力学疗法中备受关注.该文介绍了高频率高强度、低频率高强度、低频率低强度和高频率低强度四类超声波对组织/细胞的作用方法、效果与机制,以及当前新兴的超声波治疗装置,并分析了超声波力学治疗... 详细信息

超声波作为一种非侵入性干预或调控手段在力学疗法中备受关注.该文介绍了高频率高强度、低频率高强度、低频率低强度和高频率低强度四类超声波对组织/细胞的作用方法、效果与机制,以及当前新兴的超声波治疗装置,并分析了超声波力学治疗学未来的发展趋势.有助于推动超声波力学疗法在肿瘤治疗、神经系统疾病治疗(如阿尔茨海默病、帕金森病治疗)等方面的技术进步及临床应用.

关键词：细胞肿瘤频率力学疗法力学生物学

基于人工神经网络的共振吸声超材料声学性能快速预测及结构优化设计

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应用数学和力学 2024年

作者：高兆瑞李铮姜永烽沈承孟晗南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室

针对共振吸声超材料声学性能快速预测及结构优化设计需求，提出一种基于人工神经网络的共振吸声超材料性能预测方法。首先建立了由微穿孔板和亥姆霍兹共振腔组成的多层穿孔型共振吸声超材料的理论模型，并通过仿真与实验验证其正确性；... 详细信息

针对共振吸声超材料声学性能快速预测及结构优化设计需求，提出一种基于人工神经网络的共振吸声超材料性能预测方法。首先建立了由微穿孔板和亥姆霍兹共振腔组成的多层穿孔型共振吸声超材料的理论模型，并通过仿真与实验验证其正确性；随后，通过理论模型生成数据集，并以此为基础，采用BP (Back Propagation)神经网络原理，搭建了结构特征参量与声学性能的人工神经网络模型；之后，将训练后的人工神经网络模型与遗传算法相结合，对共振吸声超材料进行声学性能最优化设计。结果表明，训练后的人工神经网络模型可以对目标结构的吸声性能进行准确预测，并且预测效率相较理论模型提高50%以上；人工神经网络模型与优化算法的结合不仅能提高优化效率，优化后的结构也具有良好的低频宽带吸声性能。人工神经网络为大规模结构性能预测计算提供了便利，在超材料等结构设计及优化领域具有广阔的应用前景。

关键词：共振吸声超材料人工神经网络吸声系数 BP神经网络遗传算法

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蜂窝夹芯结构用连接接头抗冲击性能研究

应用数学和力学 2024年

作者：张智扬赵振宇任建伟高辉遥南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室

夹层结构在工程领域具有广泛应用，但其连接装配问题却日益突出，尤其是面临强动载荷下的作战装备，如何设计连接接头以提升结构的可靠性及维修性，是目前研究的热点。针对蜂窝夹芯防护结构在典型作战环境中的连接装配问题，设计了一种... 详细信息

夹层结构在工程领域具有广泛应用，但其连接装配问题却日益突出，尤其是面临强动载荷下的作战装备，如何设计连接接头以提升结构的可靠性及维修性，是目前研究的热点。针对蜂窝夹芯防护结构在典型作战环境中的连接装配问题，设计了一种由方管锁定的快速组装连接接头，并通过泡沫子弹冲击实验以获得连接结构在不同冲量下的动态响应，随后采用有限元方法对冲击试验进行了模拟，仿真结果与实验结果吻合度较好。在此基础上，利用该有限元模型进一步探讨了方管壁厚、连接单元宽度等几何参数对该结构在泡沫子弹冲击载荷作用下的峰值挠度的影响。结果表明，较薄方管壁厚（t0t/t_f≤0.375）使得连接结构容易陷入方管压溃的失效模式导致其峰值挠度显著增大，而较小的连接单元宽度（2a/W≤0.267）将导致面板抗拉强度下降，进而削弱连接结构抗冲击性能。此外，随着连接单元宽度的不断增加，连接结构的峰值挠度呈现先减小后增大的趋势，这是由于连接单元的有效横截面积与机械互锁接触面积之间存在竞争机制。当前研究表明，这种快速组装连接接头能有效抵御动态冲击载荷，具有抗冲击吸能、便于维护更换的特点，有望应用于各型主战装备防护结构的连接，为夹层连接结构的抗冲击设计提供参考。

关键词：蜂窝夹芯结构连接接头快速组装抗冲击动态力学行为

连续碳纤维3D打印圆形增强蜂窝的面内压缩性能

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复合材料学报 2024年第4期41卷 1776-1787页

作者：孟云聪周光明蔡登安南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016

为提高圆形蜂窝(CH)的抗压缩性能和吸能性能,以CH结构为基础,在横向和竖向上增设树叶形支撑,提出了单向增强圆形蜂窝(SEH)和双向增强圆形蜂窝(DEH)两种改进型蜂窝。以碳纤维(CF)作为增强体,聚乳酸(PLA)为基体,使用连续纤维3D打印技术制... 详细信息

为提高圆形蜂窝(CH)的抗压缩性能和吸能性能,以CH结构为基础,在横向和竖向上增设树叶形支撑,提出了单向增强圆形蜂窝(SEH)和双向增强圆形蜂窝(DEH)两种改进型蜂窝。以碳纤维(CF)作为增强体,聚乳酸(PLA)为基体,使用连续纤维3D打印技术制造了试验件,并规划结构内部CF的成型路径,同时设置PLA对照组。通过准静态压缩试验研究各蜂窝的面内压缩性能、吸能特性和结构的变形失效模式。结果表明:CF增强后的DEH-CF相较CH-CF在比吸能上提升167.63%。CH、SEH和DEH在采用CF增强后,比吸能相比PLA对照组分别提高43.37%、63.17%和161.58%,平均压缩力分别提高51.72%、61.81%和96.09%。研究发现,CF增强结构内部的纤维路径规划会影响结构的刚度和变形行为,采用“支撑一体化成型”路径的DEH-CF在压缩时,其结构动态泊松比保持在PLA对照组33.36%以下。

关键词：圆形蜂窝面内压缩连续纤维路径规划 3D打印复合材料

CCF300/QY9511层合板高速砂粒连续冲蚀特性试验

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航空动力学报 2024年第5期39卷 169-180页

作者：刘璐璐于飞赵振华罗刚陈伟南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室南京210016 南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016

针对CCF300/QY9511碳纤维/双马树脂复合材料层合板开展了连续冲蚀试验,研究了不同冲蚀条件下的质量冲蚀率和损伤规律。结果表明:随着冲蚀角度和供砂率的增加,质量冲蚀率先增加后减少,并在60°左右出现峰值冲蚀率;冲蚀率随冲蚀速度的增... 详细信息

针对CCF300/QY9511碳纤维/双马树脂复合材料层合板开展了连续冲蚀试验,研究了不同冲蚀条件下的质量冲蚀率和损伤规律。结果表明:随着冲蚀角度和供砂率的增加,质量冲蚀率先增加后减少,并在60°左右出现峰值冲蚀率;冲蚀率随冲蚀速度的增加而增加;复合材料表面铺设平纹布可增强复合材料抗低速冲蚀的能力,但增强效果在高速冲蚀时不明显;复合材料主要冲蚀机制为微裂纹的产生、纤维的断裂、纤维-基体脱黏以及基体变形。该研究明晰了双马树脂基复合材料层合板材料的去除机理及损伤变化规律,为后续航空复合材料结构抗冲蚀研究奠定了基础。

关键词：复合材料层合板双马树脂砂粒冲蚀连续冲蚀损伤机理

流-固耦合作用下小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛响应

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应用数学和力学 2024年第6期45卷 735-752页

作者：刘勇岗苏丽君延安大学感觉与运动疾病转化医学研究中心陕西延安716000 延安市运动康复医学重点实验室陕西延安716000 南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室南京210016

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量.然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案.针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-... 详细信息

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量.然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案.针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-Lagrange(CEL)算法的流-固耦合有限元方法分析了进入输尿管管腔内的小尺寸肾结石与输尿管的相互作用规律,并基于已建立的输尿管疼痛模型,对由输尿管内小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究.有限元分析结果表明,当结石直径小于输尿管内径时,结石会在输尿管壁蠕动作用下与输尿管发生动态接触,造成输尿管内壁上出现动态应力.随着输尿管壁蠕动幅度增大,结石的移动速度增大,且结石与输尿管接触的概率减小,同时输尿管壁上的接触应力也会降低.将应力结果输入输尿管疼痛模型计算对应的中心传输神经元细胞膜电位,结果表明,疼痛水平随时间的变化与动态应力随时间的变化趋势类似,在应力交替变化的情况下,疼痛程度并不会随应力降为零应力而降低至疼痛阈值以下,表现出疼痛程度与应力水平不对等的特征.该研究所得结果可以结合当前临床上已有的医学影像技术和计算机领域的大数据与人工智能等技术,有望为个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度,从而制定个性化治疗方案的精准医疗临床策略提供理论基础.

关键词：流-固耦合耦合Euler-Lagrange(CEL)算法输尿管软组织神经电生理疼痛量化