涂层-梯度层-基底结构中的热残余应力和应力强度因子研究

热喷涂构件中的热残余应力分布对其使用寿命的影响很大，在涂层和基底之间加入功能梯度材料可以降低构件中的热残余应力。本文用数值方法研究了热喷涂涂层-基底结构中孔隙率的随机分布对结构中热残余应力的影响，以及结构中热残余应力和界面裂纹的应力强度因子与功能梯度层层数之间的关系，并与实验结果相验证。论文由四部分组成。首先，介绍了热喷涂技术的发展历史和目前的主要应用、热喷涂产品中存在的问题以及研究和解决这些问题的方法。其次，研究了涂层中随机分布的孔隙对构件中热残余应力的影响，第三，分析了功能梯度层分层的层数对构件中热残余应力的影响，最后，分析了功能梯度层分层的层数对构件界面裂纹应力强度因子的影响。主要结论为：在期望和方差相同的情况下，涂层中的孔隙率呈高斯分布还是呈均匀分布，对涂层-功能梯度层-基底中的热残余应力的分布影响不大；在基底、涂层和功能梯度层的相对厚度不变的情况下，功能梯度层的层数愈多（即材料性质的过渡愈平缓），涂层-（功能梯度层）-基底结构中的热残余应力愈小；在基底、涂层和功能梯度层的相对厚度不变的情况下，功能梯度层分层的层数愈多，涂层-（功能梯度层）-基底结构的界面裂纹的应力强度因子愈小。

液氦温区VM型脉冲管制冷机的研究

本文的研究成果是世界上第一台热压缩机驱动的液氮温区脉冲管制冷机．它的主要特点是采用热压缩机来驱动脉冲管制冷机，主要研究目标有以下两个：无阀压缩机驱动的高效率液氦温区制冷机和使用最小容积的氦3得到低于2K的最低温度．热压缩机的设计与VM制冷机类似，利用室温和液氮之间的温差产生压力波，但一个重要的发明是功传递管的引入使得本系统中的热压缩机没有低温下的运动部件．使用这种设计也是一个全新的研究，它的重要性可以与脉冲管的引入取消了制冷机低温下的运动部件比拟．笔者进行了最初原型的调试，提出并完成了两次重要改进；最后在压比小于1.3的情况下成功地获得了3.5K的最低温度；为以后的发展打下了好的基础．

颗粒增强铝基复合材料冲击疲劳裂纹扩展的行为和机理

本文针对发展新一代步兵战车复合材料履带板所面临的关键问题，结合其实际受载特点，设计制备了冲击疲劳实验加载装置，并着重从实验设计及机理分析上进行细致深入的探索，揭示了Al_2O_3/LC_4复合材料冲击疲劳破坏的微观过程和机理。首先分别对SiC_P/LC_4、Al_2O_(3P)/LC_4 及基体 LC_4 进行了显微组织的观察与定量分析，并对其拉伸、三点弯曲破坏过程进行了在位观察，结合其断裂形貌的观察与分析，揭示出颗粒增强铝基复合材料断裂破坏的根本原因是颗粒的聚集及脆性相在晶界的严重偏聚。针对这一结论，给材料制备单位提出工艺改进意见。对工艺改进后制备的复合材料进行常规力学性能的测试，结果表明，其拉伸性能明显优于改进前制备的相应材料。为了进行冲击疲劳的实验研究，在分析步兵战车履带板实际受载特点的基础上，自行设计制备了冲击疲劳实验的加载装置。主要包括主体框架和测量系统，前者与小型振动系统配合使用可以实现冲击能量为 0.3J、冲击频率为 1Hz、冲击速度为 0.6m/s 的多次冲击实验；后者可以准确记录下任意时刻的冲击载荷波形及冲击疲劳载荷的循环数。为了考察颗粒与加载速率对复合材料疲劳机理的影响，实验研究了 Al_2O_3/LC_4 复合材料和 LC_4 纯基体材料在冲击疲劳和常规疲劳过程中裂纹的扩展过程及扩展速率。综合结果发现：与LC_4纯基体材料相比，Al_2O_3/LC_4复合材料疲劳裂纹扩展得更为迅速。复合材料中，由于颗粒的加入，两种疲劳方式下袭纹都发生严重偏转；裂纹经过颗粒时，多数是绕过，少数是切过颗粒；冲击疲劳裂纹扩展速率明显高于常规疲劳裂纹扩展速率。纯基体材料中，两种加载方式下，裂纹基本都以穿晶的方式扩展，裂纹常常表现为小锯齿状；冲击疲劳裂纹尖端的塑性变形程度比常规疲劳更大；冲击疲劳裂纹比常规疲劳裂纹更曲折，表现出多尺度的锯齿状（Zig-Zag）特征；冲击疲劳裂纹扩展速率高于常规疲劳的裂纹扩展速率。在基本实验的基础上，进一步对断口及裂纹扩展途径进行了微观观察和定量分析，最后综合全文的实验和统计结果，讨论了颗粒增强铝基复合材料的冲击疲劳机理。复合材料疲劳裂纹扩展速率的提高主要与裂纹的偏转有关，裂纹更倾向于沿着颗粒与基体的界面扩展；两种材料的疲劳裂纹扩展速率均随加载速率的增加而增加，呈现加载速率的反作用。加载方式的改变，一方面，由于冲击情况下载荷持续时间降低，使裂纹扩展速率降低；另一方面，加载速率的提高使得断裂韧性值降低，材料变脆，裂纹扩展速率升高。这两个方面相互影响，相互竞争，决定实际的裂纹扩展速率。两种材料中，不同加载速率下的疲劳裂纹扩展的微观机制基本一致，没有明显的本质区别。

微重力下固体扩散火焰特征研究

该文利用数值模拟和理论分析的方法,研究了微重力下环境气体中的惰性气体辐射再吸收特性和环境压力等参数对火焰沿薄燃料表面传播的影响,以及微重力下水雾对固体扩散火焰的抑制,并对静止微重力下的驻火焰存在条件进行了分析,得到了如下主要结论:1.惰性气体对火焰传播有重要的影响.当惰性气体为N<,2>时,导热是火焰向燃料表面传热的主要形式.火焰传播存在冷熄控制区,在此区域内,火焰传播速度随着环境气体流速的增大而增大.当惰性气体为CO<,2>时,在小空气流动速度下,火焰向燃料表面的热辐射和热传导在火焰传播机理中几乎具有同等重要的作用,但随着空气流动速度的增大,导热逐渐成为火焰传播的主要驱动力.2.当惰性气体具有不同辐射特性时,环境压力对火焰沿燃料表面传播的影响具有不同的特征.当惰性气体为N<,2>时,在较小的环境压力下,火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力.但随着环境压力的增大,火焰传播速度逐渐增大,火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一.3.在正常重力环境中,自然对流不利于水雾灭火,水雾对燃料表面的冷却降温是水雾灭火的主要机理.而在微重力环境中,自然对流的消失增强了水雾对固体扩散火焰的抑制作用.水雾不仅能通过润湿燃料表面抑制火焰的传播,而且也可通过气相区域的吸热效应、稀释效应和化学反应链终止效应对火焰传播产生较强的抑制作用.4.空气流动强化燃烧,减少水雾在火焰锋面的蒸发量,使水雾对燃烧的抑制作用减弱.5.在微重力下,水务直径越小,水雾对火焰的抑制作用越强.在远离灭火浓度的情况下,可以通过减小水雾直径的方法增强对燃烧的抑制,但效果有限.6.球形物体在静止环境中燃烧时,存在两个使火焰熄灭的极限直径.当直径小于小的极限直径时,火焰由于质量扩散和能量扩散而熄灭;当球体直径大于大的极限直径时,火焰由于辐射损失而熄灭.7.在静止微重力环境中,无论环境气体中的氧浓度有多高,无限长圆柱形燃料燃烧不可能形成稳定的柱面扩散火焰;无限大平板燃料燃烧不可能产生无限大平面扩散火焰.

二相流中颗粒脉动和阵性泥石流立面二维运动特性研究

本文对二相流中的颗粒运动和碰撞情况进行了研究。颗粒运动和碰撞是二相流中的现象，长期以来，人们把各种情况下的颗粒无规则运动，一概称为湍流脉动，事实上，除湍流脉动外，颗粒还有因颗粒－颗粒碰撞和颗粒－壁面碰撞引起的、二相流所特有的（在单相流中不存在的）无规则运动。研究颗粒的无规则运动有助于研究二相流方程的本构关系，为更深一步的二相流研究打下一定的基础。在数值解法上，采用直接模拟蒙特卡洛方法（DSMC），用一定数目的模拟颗粒代表流场中的大量实际颗粒，每个模拟颗粒具有一确定的速度。颗粒的运动和碰撞解耦，先计算出颗粒一个时间步长内运动的轨迹和最终速度，下一步就是判断在这段进间内那些颗粒发生了碰撞，然后用碰撞理论同碰撞后的速度，而碰撞过程中的颗粒的坐标不变。我们计算采用的颗粒模型是光滑的硬球模型，不考虑旋转效应，只计二体碰撞，模拟颗粒的直径一定。判断两颗粒是否发生碰撞主要取决于碰撞概率，而不是运动轨迹。计算结果表明随着颗粒的驰豫时间的增加，颗粒的聚团现象变得剧烈。颗粒的脉动强度跟颗粒的体积浓度成一反比例函数关系，颗粒的各向脉动强度跟总脉动强度成正比关系。随着驰豫时间的增加，颗粒的总脉动强度增加，而主流方向的脉动强度在总脉动强度中占的比例减少。本文的研究表明，DSMC方法模拟颗粒运动和碰撞是可行的，得出的规律是可信的。

气脉冲除灰技术燃烧和除灰过程研究

中国电站锅炉燃用大量的未经洗选的劣质煤，导致严重的锅炉积灰问题，尤其是125-600MWe的大型锅炉的回转式空气预热器堵灰更加严重。积灰不仅使锅炉热效率下降，而且堵塞烟气流道，影响了锅炉的正常运行。已有的各种除灰器都有较大的局限性。中国科学院力学研究所燃烧研究实验室根据我国国情开发出了燃烧气脉冲除灰技术，并在30多台大型电站锅炉应用取得了很好的效果。为了理解气脉冲除灰的工作过程，掌握运行规律，解释应用中出现的问题，以提高技术水平和开发新产品，尚需对气脉冲除灰的燃烧和除灰过程做更深入的研究。本论文工作针对燃烧气脉冲除灰技术在实际使用中提出的问题，开展了实验室研究。主要研究了乙炔、水煤气、液化石油气和甲烷四种燃料在气脉冲实验装置中的火焰传播情况和压力波形。研究了混合比、阻塞比和出口截面比对火焰速度和压力峰值的影响。在现有点火条件下找到了在静止混合气体中四种燃料的贫点火极限和乙炔在有一定流速时的贫点火极限；比较了燃烧室内乙炔空气混合物静止时和有一定流速时的爆炸压力峰值。初步搞清了各种因素对火焰速度和压力波形的影响，实验结果对实际应用有指导作用。为了理解火焰传播和压力波形之间的关系，用燃烧室内压力均匀的简化模型，计算了压力波形并且与实验结果进行了对照，由此推算了湍流燃烧速度并探讨了各种因素对它的影响。用考虑了管内有压力波传播的一维简化模型，计算了火焰传播过程中燃烧室两端的压力波形和火焰面前后的气流速度，以及不同时刻的燃烧室内气体流速分布。估算了气流剪切力的量级，进行了模拟积灰的气脉冲对比实验，测量了同一气脉冲条件下两种厚薄不同板的振动加速度值及其随时间和空间的衰减情况。还得到了压力在空间的衰减变化情况。定性地研究了积灰脱落机理，初步认为：对于粘结灰只有振动才有效，气流的剪切不能除去粘结灰。

层片TiAl合金的微结构对力学行为的影响

本论文针对可能应用于叶片零部件的铸造全层片TiAl基合金进行了多方面的实验研究。目的着重于观测该材料的力学性能对微结构因素的敏感性及其失效行为，并以裂纹萌生为线索探讨其相关的物理和力学内禀机制的表征。研究工作涉及到多种跨越毫米尺度的宏－细－微观力学测试方法和技术，其中，新型试样的应力分析和可行性说明针对于脆怀板材试样并具有良好自对中能力的夹具设计是成功的。单调拉伸实验和拉一拉疲劳实验得到了所研究试样的基本力学性能和影响疲劳性能的微结构敏感因素，如晶粒取向、晶粒大小等。实验研究重点说明了层片取几因素对疲劳抗力的影响一与拉伸轴方向平行的晶粒具有最好的裂纹萌生抗力。扫描电镜和透射电镜下的原位拉伸实验得到了沿层片裂纹萌生的等征，这些等征包括：层片裂纹与拉伸轴夹角呈40°／60°／90°的方向倾向性、裂纹沿γ相真孪晶层片界面萌生的位置倾向性等。纳米压痕实验和原子力显微实验证了层片的弹性模量差异，为宏一细一微观分析提供了依据。分析和讨论工作针对于沿层片萌裂纹的方向的选择性和位置的倾向性等实验现象，以宏观界面力学方法和晶体学理论，侧重表征了与层间变形特性相关的力学和物理机制：（１）以模理量失配理论为基础提出了等效失配概念，得到瞪层片TiAl合金的等效失配度为0.16；（2）以界面能量释放率断裂准则为基础，提出了模式因子（TiAl,0.24）方法来评价拉、剪力的耦合作用；（3）根据以汤普森四面体所构筑的γ层间组合模型，并采用γ层片的惯习面间异类原子对数（NAT值）、穿层几何协调因子和穿层几何协调加和因子等方法分别表征其原子结构尺度下的界面结全强度和层间变形的位错协调性。分析和讨论重阐明了全层片TiAl有序合金的层间抗剪切能力较弱和γ层间真孪晶界面易于裂纹萌生等结果。

三维离散元改进算法及其在三峡永久船闸高边坡工程中的应用

本文根据面－面接触模型，写出了三维离散元的物理方程及运动方程，对于接触刚度、阻尼系数、时步、计算控制及块体的滑动失稳判据等作了讨论。在NURBM－3D 长方体单元基础上改进了其划分单元的算法，依据岩体中三组真实的节理面划分平行六面体单元，实现了网格的自动剖分，从而可以将单元视为真实的岩块，更客观地体现了节理面对岩体稳定性的影响。运用改进后的三维离散元方法，编制了计算程序，对三峡工程永久船闸高连坡开挖进行了模拟。计算过程包括初始地应力场模拟、岩体开挖过程两个阶段。模拟计算首先给出了为水平、垂直节理面所切割的长方体单元情况下的应力场分析，考证了程序的可行性。将已有的三峡永久船闸实测节理简化为三组节理，完成了初始地应力场的模拟，给出了分四步开挖后的岩体位移场和应力场，计算出岩体开挖过程中产生滑动块体的位置，其结果可以定性地表明：沿节理面的块体滑动是边坡失稳的主要模式。编制的后处理程序提供了计算数据库与绘图软件Origin的接口，可以画出任意剖面或节理面上的应力等值线、位移矢量图及滑动块体分布图，由此可以直观判断岩体不稳定区域和高应力区范围。编制的计算程序在PC机上计算了10万块体单元，用于模拟大型工程，其计算结果与有限元及类似的连续介质模型相比更为合理，为用离散元法进一步研究可变形块体及岩体的蠕变提供了一种切实可行的工具。将离散元法应用于大型工程三维计算是可行的，但在本构模型建立、岩体破坏参数选择等方面均有等于更深入的研究，其结果也有待于更多工程的验证。

柔性加工中高功率激光束空间变换研究

在国民经济中占有重要地位的汽车工业中，对于大型覆盖件模具的表面强化处理，最常见的是火焰淬火。火焰淬火对操作人员的要求高，可控性差，效果不理想，但是由于一直没有适合的方法，目前也只能继续使用。而激光表面强化技术结合柔性加工系统正是解决这类问题的新途径。传统的激光表面强化是采用把激光束离焦后进行扫描的方式，这种方法不能充分利用激光功率密度，而且往往要用转镜或振镜形成条形光斑来加快处理速度，这就需要复杂的机械结构，而且产生难以避免的重叠回火。我们提出一种新方法，利用二元光学元件来获得一种新型的周期光强分布，实现其在高功率激光系统中的应用，并设计成为集成到柔性加工系统中的组成部分，能够完成对大、中型模具表面的激光强化处理。本论文的工作主要是有关激光柔性加工系统中的光束传输及变换子系统，不仅包括理论设计、加工制作，同时还包括把该子系统有效的结合到整个系统中。本研究工作广泛涉及激光理论，光束变换和光纤传输，系统中的模块化集成应用技术，金属材料的特殊分布光强表面改性试验研究等等，是跨学科的交叉研究工作。在本论文中，重点是二元光学元件的设计方法的选择、计算机辅助设计的实现、二元光学元件的制作和在高功率激光传输中的应用，以及特殊光强分布应用于金属表面改性中的相关工作。通过把二元光学元件引入到高功率激光加工中，对出现的新现象给出一定的预测和分析，并获得了良好的强化结果，最终实现了系统的集成化，并具有实际生产所要求的可靠性和灵活性。本论文共分六章，主要包括两方面的内容。第一章为绪论，第六章为结论。第一方面内容在第二章到第四章中说明，是用于高功率激光应用中的二元光学元件的原理、设计和制作。第二方面的内容在第五章中，是关于应用前面设计制作的二元光学元件，在实际的金属材料表面处理中的实验研究，给出了相关试验结果。

可压缩流气动声场的数值模拟

气动声学是一门流动力学和声学之间的交叉学科，主要研究流动及其与物体相互作用产生噪声的机理。动用计算技术研究气动声学问题的手段称为计算气动声学。本文的目的是，基于高精度数值算法的研究，分别运用Lighthill比拟理论、Kirchhoff积分和直接数值模拟等方法，针对翼型绕流、激波-涡干扰和轴对称射流，研究了物面非定常脉动压力、涡脱落、激波-涡干扰以及涡对并等产生噪声的机理。首先针对声场与主流场在能级和特征尺度等方面的差异，从空间离散角度分析了几种差分格式，表明迎风紧致格式/对称紧致格式有较小的数值色散、耗散和各向异性误差，因而适用于气动噪声的计算。以Runge-Kutta格式为例，对时间离散带来的误差进行了分析。指出对声波计算来说，仅考虑格式稳定性是不够的，时间步长还受到允许色散误差和耗散误差的限制。基于保色戎关系的思想，构造了优化Runge-Kutta格式。处例显示优化Runge-Kutta格式相对于经典格式有更高的计算效率。采用3阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式数值模拟了NACA0012翼型的可压缩非定常绕流流场，并将此流场作为近场声源，运用声学比拟理论对偶极子声和四极子声进行研究。结果指出，主流速度对远场声压有决定性影响，在来流马赫数较大时，四极子噪声和偶极子噪声具有相同量级，不能被忽略，表明了可压缩效应对声场的影响。采用5阶迎风紧致格式和4阶Runge-Kutta格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，对激波-单涡/双涡干扰导致的声场进行了直接数值模拟。详细研究了激波-涡干扰产生噪声的机理，指出噪声的产生及其性质和激波变形密切相关。研究了近场噪声衰减和传播距离r的关系，发现噪声衰减大致和r~(4/5)而不是r~(1/2)成反比关系，提出这种差异是由流场的非线性效应引起的。构造了Kirchhoff积分和非定常流动计算相结合的算法。采用5阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式对亚声速轴对称射流进行直接数值模拟。将射流流场作为近场声源，结合Kirchhoff方法求解远场 气动噪声。数值结果表明远场噪声具有方向性，噪声声压在离开对称轴20°处达到最大值。随着传播距离增大，噪声方向性逐渐减弱。

异形流动腔的数值分析和设计优化

动脉粥样硬化的非随机发生与当地的流体动力环境有关。完全模拟体内血流动力学环境是不可能的。我们的思路是将复杂的血管形态，分解成若干几何因素，尽可能地研究某一几何因素对流场和血管内皮细胞生长的影响。在体外实验中，为了便于在线观测，主要采用流动腔（Flow Chamber）技术。不同于国内外己有的研究，我们主要研究几何因素引起的流型的改变及其对血管内皮细胞生长的影响。本论文主要是用数值方法来研究五种几何因素（扩张、弯曲、驻点、分叉和后向台阶）引起的流型特征。分析各参数的影响，进而优化设计。为在体外进行血管内皮细胞培养实验，研究不同流场条件下由于几何形状改变引起的流场特性改变对内皮细胞生长的影响，提供理论依据。

煤油-氢双燃料超音速燃烧研究

本课题进行了“煤油一氢”双燃料超音速燃烧的实验研究，采用一维近似计算程序对实验数据进行处理，对此一维程序所用模型也作了说明。实验采用“煤油一氢”双燃料超音速燃烧方案，即利用少量的氢与来流空气自然形成引导火焰与煤油进行混合燃烧。实验是在超单速燃烧实验台上进行的，实验空气总温1800K左右、总压17atm左右，燃烧室进口M为2.5，可以模拟飞行M数为7的超燃冲压发动机中的燃烧工况。在没有附加点火的情况下，能实现煤油一氢双燃料自点火并维持稳定燃烧的条件包括：氢的最小当量比、燃料的喷注方式与燃烧室几何形状等。因此，本实验进行了四方面的研究内容：（1）氢气当量比对点火极限的影响；（2）煤油驱动气压力对点火极限的影响；（3）不同凹槽形火焰稳定器对燃烧的影响，包括改变凹槽形状和改变喷油孔的位置；（4）实验空气总温对燃烧的影响。用一维超音速燃烧程序对实验数据进行了处理，实验结果表明，通过合理地控制氢气当量比、煤油当量比，在一定的总温总压条件下，利用合适的火焰稳定器，采用煤油一氢双燃料超音速燃烧方案实施煤油的超单速燃烧是可行的，其中凹槽形火焰稳定器对点火与燃烧有重要的作用。本实验研究表明，氢气当量比的最低极限为0.09左右，来流总温最低生在1710K时煤油仍能点燃。实验结果说明，煤油一氢双燃料超音速燃料超烯冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧的氢量可以控制在较低的范围，并且来流温度要求不是很高，因此对于碳氢燃料超燃冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧方案具有较为实用的价值。

水下高速喷流噪声的产生机制与辐射特性

在对喷流噪声研究进展广泛调研的基础上，本论文采用柱坐标下轴对称的线化欧拉方程（LEE）、空间四阶时间二阶精度的MacCormack差分格式，对水下气体喷流的混合噪声产生与辐射特性进行数值模拟研究。采用基于经验公式的积分计算方法来确定求解线化欧拉方程所需的平均流场，对边界条件给予特殊处理以避免声波通过时产生反射。本文计算声明，线化欧拉方程及其相应的高阶数值方法提供了一个可以预报水下气体喷流混合噪声传播的省时高效的途径。给出的结果指出：由于水介质的密度很大，水下气体喷流远场收集到的噪声强度比同样情况下空中气体喷流要小，这说明水下发射导弹更具隐蔽性。同时，由于水介质中的声速很大，水下的高速喷流噪声场呈现更加均匀的性态，而不是象空中混合噪声在下游沿一定的方向辐射。鉴于本文只考虑常温情况，气体喷流速度是影响喷流噪声产生与辐射的重要参数：马赫数增大，远场的噪声强度随之增大。另外，水下喷流噪声的特性还与扰动频率有关。

细胞黏附的力学建模及其力敏感性的机理研究

细胞黏附在机体的生理和病理过程中起着重要的作用。作为细胞内、外信息交流和传递的通道，细胞黏附斑具有独特的力敏感性。实验表明，在力的作用下，黏附斑不仅可以生长、成熟和破坏，而且还能感知外部环境的力学性质，如基底硬度、硬度梯度和形貌等等。细胞黏附如何响应不同的力学刺激，物理机理是什么，如何定量描述这些物理机理？这些问题是细胞生物学和细胞力学中的重要问题。本论文通过在分子和亚细胞尺度上的力学建模研究了黏附斑的力敏感性机理，主要包括以下几方面的内容： (1) 发展了一个非线性的撕裂模型，研究了细胞黏附的稳定性和边缘依赖性。通过引入黏附分子键的非线性本构关系，并考虑黏附分子键的多种分布形式，我们发现黏附分子键的非线性效应对维持细胞黏附的稳定性起着至关重要的作用。黏附分子键的非线性力学性质使黏附分子键可以同时承载，降低了细胞对黏附分子键分布的依赖性，大大提高了细胞的黏附强度。本文的预测结果与实验结果一致。 (2) 建立了细胞黏附的细观力学模型，研究了在力作用下黏附斑生长和失稳的分子机理。在细观力学模型中，引入了“整联蛋白的聚集”和“整联蛋白-配体的反应”两个分子作用机理，并用两个化学反应来描述。通过基于Monte Carlo思想的Gillespie算法模拟了细胞黏附在不同载荷下的响应。我们发现黏附斑只能在一定范围的张力下生长，在这个范围内整联蛋白的聚集机制占主导。而当张力大于某个临界值时，黏附斑将失稳并导致破坏，这时整联蛋白-配体分子键的解离机制占主导。因此，黏附斑对作用力的不同响应，是不同分子作用机制在力作用下相互消长的结果。同时我们还建立了一个唯象的热力学模型中，验证了我们的细观力学模型。 (3) 基于细胞黏附的细观力学模型，研究了周期性载荷下细胞的重排和转向机理。在细观力学模型中，通过黏附块(adhesion plaque)，将整联蛋白-配体分子键和细胞骨架联系起来。基于Monte Calro模拟，我们发现存在一个载荷临界值，当外载大于临界值时，细胞将进行重排。细胞重排的原因是在周期性载荷下黏附斑的失稳。通过引入整联蛋白-配体成键的化学反应动力学和应力纤维的粘弹性性质，解释了细胞黏附稳定性的频率依赖性。本文预测的细胞转向临界载荷和重排方向，与实验结果一致。

微尺度压痕实验的数值模拟及相关问题研究

目前国际上占主导地位的纳米压痕技术是由Oliver与Pharr提出并发展,目前的纳米压痕可以给出整个加、卸载过程的载荷—位移曲线以及硬度与弹性模量随压痕深度变化的曲线,从而提供了丰富的、比较精确的信息,为利用它探索材料比较完整的力学特性提供了可能.为达到该目的,就必须对压痕实验的加、卸过程进行较为深入的研究.作为主要的研究工具,有限元方法模拟微压痕过程在探讨通过实验数据得到更多、更准确的材料表层力学性能参数以及解释实验现象等方面发挥着重要作用.基于计算机速度与容量的原因,较早进行微压痕过程有限元模拟的BhattacharyaandNix、LaursenandSino都使用圆锥压头模拟维氏显微硬度标准正四棱锥Vicker压头与纳米压痕仪标准正三棱锥Berkovich压头,因为圆锥压头具有旋转对称性,可用二维旋转对称单元(二维实体单元)进行计算从而降低计算规模.即便如此,以当时大型计算机的水平,对规模为400~2000个四节点矩形单元的有限元模型进行一次完整的加、卸载过程也需要1~2天.到目前为止,微尺度压痕实验的数值模拟沿用二维模型.事实上,由于加工工艺的限制,微尺度压痕仪的压头如Berkovich与Vicker压头均不个旋转对称性;就微观尺度而言,实际的表层材料都是非均匀的.这些特征均不能由二维模拟体现,所以该文首先建立三维有限元模型,模拟带滑动接触的微尺度压痕加、卸载过程.在此基础上重点讨论了压头几何效应的问题,如二维模拟与三维模拟的关系、显微硬度与纳米的压痕硬度的关系、不同压头下材料的应力应变场、压痕间距与压痕边界的效应等,最后针对微尺度压痕实验中出现的压痕硬度随压痕深度减小而升高的现象,讨论了影响不同压痕深度硬度值的因素.