合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

洪友士, 孙成奇, 刘小龙

洪友士, 孙成奇, 刘小龙在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10⁷以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索. 力学进展. 2018 48(1): 1801-.

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

康国政, 阚前华, 于超, 宋迪

康国政, 阚前华, 于超, 宋迪形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势. 力学进展. 2018 48(1): 1802-.

高速飞行器红外罩热力失效机制

鄂羽佳, 王天宇, 高鸽, 耿方娟, 艾俊强, 韩杰才, 朱嘉琦

鄂羽佳, 王天宇, 高鸽, 耿方娟, 艾俊强, 韩杰才, 朱嘉琦红外罩材料包括红外罩增透保护膜和基底材料, 是高速导弹结构--功能一体化的关键部件, 应用极为广泛. 但是, 红外罩材料通常工作于恶劣的外界环境下, 处于复杂的热力混合作用状态, 可能导致窗口失效, 因此对红外罩材料热力响应和失效的研究具有重要的科学研究价值和工程实际意义.本文针对高速飞行器环境下红外罩材料的气动热力失效机制, 从典型材料的特性及制备、气动热力响应机理及分析、红外罩材料的结构性和功能性失效等方面总结相关学者的研究成果, 并对今后的发展趋势进行展望. 力学进展. 2018 48(1): 1803-.

二维材料力学行为的压痕测试

周立新, 曹国鑫

周立新, 曹国鑫准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善. 力学进展. 2018 48(1): 1804-.

高速航行体水下发射水动力学研究进展

王一伟, 黄晨光

王一伟, 黄晨光高速航行体水下发射水动力学研究, 是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动, 特别是空泡稳定性、溃灭等问题, 是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题, 归纳了主要控制参数和影响方式; 之后针对非定常空化流动问题, 综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法; 总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律; 最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势. 力学进展. 2018 48(1): 1805-.

柔性结构气弹效应在流动控制中的应用及进展

张家忠, 刘雁, 孙旭, 陈嘉辉, 王乐

张家忠, 刘雁, 孙旭, 陈嘉辉, 王乐柔性结构与空气动力耦合形成的系统呈现出丰富的非定常、非线性流动和结构动力学行为,对其气动弹性效应合理地控制和利用,能够大幅度提高飞机机翼、风力机叶片等结构的气动性能,并使其具有气动自适应能力.本文总结了近年来与气弹效应应用相关的研究进展及存在的问题,具体介绍了薄膜翼型的流动控制特性、柔性壁面减阻技术以及Sinha扰流装置的发展过程、主要成果以及未来发展趋势,着重对相关试验、流固耦合数值分析、Lagrangian拟序结构动力学等理论分析方法进行总结,展示了气弹效应在流动控制方面的巨大潜力和深远的学术意义,以便更多的研究人员开展该领域的研究工作. 力学进展. 2018 48(1): 1806-.

基于先进生物材料的心肌细胞力--电微环境体外构建

徐峰, 张晓慧, 鲍雪娇, 赵国旭, 刘付生, 黄国友, 李昱辉, 卢天健

徐峰, 张晓慧, 鲍雪娇, 赵国旭, 刘付生, 黄国友, 李昱辉, 卢天健心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因, 心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗, 尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力--电微环境的变化密切相关. 近十几年, 随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力--电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义. 本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程, 包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力--电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控, 以及细胞对力--电微环境的生物学响应.% 力学进展. 2018 48(1): 1807-.

肿瘤及其微环境的力学问题

施兴华, 张路姚, 李博, 冯西桥

施兴华, 张路姚, 李博, 冯西桥肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响, 例如, 可调控血管与淋巴管的功能, 造成代谢异常和间质高压, 压缩间隙基质, 增大药物输运的困难, 促进间质细胞变异并诱导肿瘤细胞转移. 因此, 肿瘤中的力学因素引起了广泛关注.本文总结了肿瘤及其微环境力学问题的研究进展, 讨论了肿瘤微环境中应力产生、药物输运、肿瘤转移等问题, 介绍了肿瘤微环境正常化的策略及其对肿瘤治疗的意义. 力学进展. 2018 48(1): 1808-.

软骨组织工程构建中的生物力学

张春秋, 李可, 高丽兰, 张西正

张春秋, 李可, 高丽兰, 张西正关节软骨是关节表面具有弹性的承重组织, 其结构复杂, 由固体相和液体相组成. 固体相包括胶原纤维、蛋白多糖等, 属纤维增强型复合结构; 液体相包括水、电解质等.关节软骨提供了一个低磨损和低摩擦的光滑界面, 起缓冲振动和传递载荷等支撑作用. 由于膝关节承受的运动量大、应力高, 关节软骨损伤在临床上较为常见. 但软骨内没有血管, 代谢缓慢, 其损伤后难以实现自我修复. 组织工程从理论上建立了一种治疗软骨缺损的理想方法, 但尚未成为临床上常规的治疗选择. 如何获得结构和功能相匹配, 同时适用于临床治疗的工程软骨, 至今仍是亟需解决的问题.在体外构建功能化工程软骨, 关键在于运用生物反应器对组织施加合适的力学载荷: 首先保证工程软骨复合体内信号分子、营养和废物的有效运输; 其次对支架内种子细胞产生特定的力学刺激; 同时促进细胞外基质结构与功能的适应性发展.本文对力学载荷在软骨组织工程构建中的应用进展加以综述: 按照作用于组织层面的力学载荷传递所需的介质属性, 将其分为液体介导、固体介导和其他媒质介导三种类型, 重点关注不同载荷对工程软骨功能化构建的作用和效果; 分析讨论软骨组织工程构建中存在的关键生物力学问题; 总结和展望软骨组织工程未来的发展趋势.软骨组织工程体外培养需要考虑力学载荷和生化刺激的耦合作用; 在合适的生化条件下进行滚动、滑动和压缩复合加载, 将有利于工程软骨的体外功能化构建. 力学进展. 2018 48(1): 1809-.

细胞膜间的波动力

李龙, 宋凡

李龙, 宋凡由热扰动引起的细胞膜间的波动力调控着大量的生物功能, 如细胞黏附、细胞融合、细胞膜结合与解离的转换以及细胞膜的自组装.因此, 研究细胞膜间的波动力及其规律是生命科学研究中重要的基础之一.鉴于波动力在大量细胞进程中发挥的重要作用, 自其被提出的40年间备受关注. 然而, 作为当前的研究热点, 对于细胞膜波动力的作用规律仍存争论.本文首先简述了细胞膜间的波动力以及相关研究的发展历程; 在此基础之上, 分别对近期引发争议的两种主要的波动力理论以及目前关于波动力的最新研究进展进行了详述, 分析讨论了不同波动力理论的差异, 为后续研究提供参考借鉴; 最后, 总结和展望了该领域的研究热点以及未来研究趋势. 力学进展. 2018 48(1): 1810-.

原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

葛林

葛林基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望. 力学进展. 2018 48(1): 1811-.

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

杨晖, 张国华, 王宇杰, 孙其诚

杨晖, 张国华, 王宇杰, 孙其诚颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景. 力学进展. 2018 48(1): 1812-.