ADVANCE IN BIOMECHANICS OF HUMAN EAR AS HEARING SYSTEM

耳是人体重要的听觉器官. 人耳是一个典型的在声波激励下的传导振动,继而将振动转变成听神经纤维的脉冲发放结构. 建立完整有效的人耳结构生物力学模型,研究它的生物动力学行为,有助于我们认识和分析人耳的传音及感音机理,研究人耳病理状态下和手术后的传声及感音机制的变化,进一步为研究相关临床疾病的生物力学机制提供理论依据. 本文总结了人耳听力系统生物力学模型及临床应用的研究进展,并展望了今后的研究工作.     

有界弦的行波解及其与驻波解的关系

 有界弦的振动是介绍数学物理方程求解方法和了解 连续体振动、波动运动形态的一个典型例子. 给出了它的行波解, 并揭示了行波 解与驻波解的关系, 可以帮助加深对弦的运动形态的了解.     

《系统生物学—建模,分析,模拟》书评

生命活动属于最复杂的自然界现象。近代生物学研究已从以实验观察为主的方式逐步发展为与生命体的机理性分析密切结合,并且由生物器官组织的宏观形态和表型向生物细胞和分子的微观行为和演变进行深入探讨。随着生物科学实验技术和方法的飞速进步,人们对生物大分子、基因和蛋白质、生物膜的结构和功能等的研究已经积累了相当丰富的知识。由于生命现象都是生物复杂大系统的综合行为的结果,我们必须把生物系统作为一个整体来研究,从系统论的角度进一步探讨细胞的信息、生长、发育、分化、代谢等动态过程以及生物有机体的功能,而不仅把研究重点放在单个的基因, 蛋白质或者器官上。系统生物学就是这样一门研究生物系统的内部组分结构, 以及在各种内、外部条件下这些组分的相互作用和演化规律的学科,是生命科学的一个前沿领域。目前重点是在分子层次上开展对生命现象（例如遗传基因、蛋白质、重大疾病等）的过程和机制的研究,生物化学反应（包括蛋白质—蛋白质相互作用、DNA—蛋白质相互作用等）和生物网络（包括基因网、蛋白质相互作用网、信号转导网、代谢网等）行为在其中起着重要作用。大量的系统生物学研究对象是动态的和随机的,涉及不同的时空尺度下复杂非线性动力学与控制问题。      

碰撞振动系统分岔与混沌的研究进展

针对工程实际中普遍存在的碰撞振动系统这种典型的非光滑动力系统, 其研究具有重要的理论意义和工程实用价值. 碰撞振动系统动力学的分析与研究方法主要有理论分析、数值模拟以及应用与实验研究. 为了研究碰撞振动系统的周期运动稳定性、分岔及混沌, 采用的手段有建立Poincar\'{e}映射、中心流形和范式方法, 映射的分岔与混沌理论是碰撞振动系统研究的理论基础. 首先简述了碰撞振动系统的分析与研究方法, 光滑非线性系统动力学的分析方法部分可以推广到碰撞振动系统, 碰撞振动的不连续性导致一些方法的适用性和有效性问题. 进一步综述了碰撞振动系统周期运动稳定性、分岔、混沌及奇异性的理论研究和工程应用现状. 最后着重结合相关离散型映射系统的动力学发展, 对碰撞振动系统的分岔与混沌研究及存在的主要问题进行了讨论, 并展望了其发展趋势.      

轴向运动弦线的纵向振动及其控制

综述轴向运动弦线纵向振动及其控制问题的研究进展.多种工程 系统如动力传送带、磁带、纸带、纺织纤维、带锯、空中缆车索道等均 涉及轴向运动弦线的纵向振动.对线性模型而言,除早期结果外,总结了 运动弦线的模态分析、具有复杂约束和耦合的运动弦线振动和运动弦线 参数振动的近期研究.对非线性模型而言,提出了轴向运动弦线大幅纵向 振动的运动微分方程,概述了离散化和直接近似解析分析、用黏弹性材 料模型化阻尼机制和动力传输系统的耦合振动研究的新进展.讨论了轴 向运动弦线振动主动控制的研究现状,包括能控性和能观性,控制分析的 频域方法和能量方法,振动的自适应控制和非线性振动的控制.最后指出 该研究方向今后需要研究的若干重要问题,包括运动弦线的非线性动力学 行为、黏弹性运动弦线的振动、含运动弦线的混杂系统的控制和轴向运 动弦线非线性振动的控制.     

冲击渐进振动系统相邻基本振动的转迁规律

冲击振动现象广泛存在于动力机械系统中,使得系统表现出复杂的动力学响应.目前对冲击振动系统的p/1类基本振动的稳定性及分岔研究报道较少,而且已有的对冲击振动系统动力学的研究基本都是基于单参数分岔进行分析的.研究以小型振动冲击式打桩机为工程背景,建立了冲击渐进振动系统的力学模型.分析了激振器和缓冲垫发生碰撞的类型,以及滑块渐进运动的条件.给出了系统可能呈现的四种运动状态的判断条件和运动微分方程.通过二维参数分岔分析得到系统在(ω,l)参数平面内存在的各类周期振动的参数域和分布规律.详细分析了相邻p/1类基本振动的转迁规律.在5/1基本振动的参数域的右边区域,相邻p/1基本振动的参数域临界线上存在一个奇异点X_p,相邻p/1类基本振动的分岔特点以奇异点X_p为临界点.在l小于l_X_p的区域内,相邻p/1基本振动经实擦边分岔和鞍结分岔相互转迁,实擦边分岔线和鞍结分岔线之间存在迟滞域,迟滞域内,系统存在两个周期吸引子共存的现象.在l大于l_X_p的区域内,相邻p/l类基本振动的参数域之间存在一个中间过渡区域.中间过渡区域内,系统呈现(2p+2)/2和(2p+1)/2周期振动等.在5/1基本振动的参数域的左边区域,p/1基本振动经多重滑移分岔产生(P+1)/1基本振动.     

叶片振动影响下双盘转子-轴承系统的稳定性与分岔

研究叶片与转子-轴承系统的耦合非线性振动,建立了一个带叶片的双盘转子-轴承系统的非线性动力学模型,其中包含一个弹性转轴、两个滑动轴承、两个刚性圆盘和两组弹性叶片.为了分析叶片的惯性影响,将其简化为单摆模型.采用4阶Runge-Kutta法进行了数值模拟,并利用分岔图、三维谱图、轴心轨迹和Poincaré映射图等方法分析了系统的非线性动力学特性.研究发现,随着转速的变化,系统响应演化出了倍周期运动、概周期运动、混沌运动和倍周期分岔等典型的非线性动力学行为.在与忽略了叶片振动的转子系统对比后发现,叶片振动使转子发生混沌运动的转速区域增大.在某些参数条件下,采用不同的叶片刚度,叶片振动可能引起转子系统产生混沌运动.     

纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性

纵向参数激励下液体晃动稳定性是航天器动力学中一个广受关注的问题,然而在以往的研究中没有考虑液体晃动与航天器运动之间的耦合作用对系统参数振动稳定性的影响. 建立了用液体晃动等效单摆模型描述的纵向激励下平动刚-液耦合系统的Mathieu方程,采用摄动法确定了耦合系统1/2亚谐波振动和谐波振动的激励幅-频稳定性边界. 研究发现,液体晃动与主刚体横向运动的耦合作用扩大了参数振动不稳定区, 并使其向高频移动,影响的程度随等效晃动质量的减小而减小;液体晃动模态阻尼对1/2亚谐波振动不稳定区的缩小作用远弱于对谐波振动不稳定区的缩小作用. 对耦合系统第1阶液体晃动模态1/2亚谐波振动响应的研究表明:当纵向激励参数在不稳定区内时,可能引起主刚体的纵横耦合振动现象.      

生物结构自适应性的力学研究及其应用

以生物的骨组织、竹子以及植物根系、动物血管等生物分枝系统为例, 从微观组织结构和宏观形态, 以力学的观点, 对生物形态组织结构的自适应性进行了分析研究, 并概括地介绍了这种自适应性在工程材料及工程结构设计中的应用, 如基于骨组织重建机理的自修复材料、基于生物分枝系统形态生成机理的薄板加强筋以及热传递系统中散热通道的分布设计等. 模拟生物结构和系统的工程材料和结构及其设计方法, 因具有与生物结构和系统相似的优越性能, 可突破传统产品和设计方法的一些局限性. 基于仿生技术的生物形态、材料与机能、强度等关系的进一步研究, 以及相关的理想工程材料和结构的设计与制造方法的研究, 将是当前和未来十分重要的研究课题.      

紊流对悬索桥动力特性的影响

文章研究了在风激励下,风中紊流对悬索桥动力特性的影响.悬索桥被处理为一个同时存在有两个相互耦合的振动模态的线性结构.当风高速吹桥时,风中的紊流可认为是一个宽带噪声,因此系统的响应是一个近似的马尔柯夫过程.运用随机平均法,可解出一组伊藤统计微分方程——从而确定系统运动稳定性条件.与只考虑一个振动模态的数学模型相比,本文结论更接近于实验结果.     

振动驱动移动机器人直线运动的滑移分岔

近年来,随着移动型机器人设计技术水平的不断提高,其运动形式日趋多样. 借助于仿生学的思想,模仿蚯蚓等动物的蠕动成为不少机器人设计者所追求的目标. 为了实现这一目标,学者们提出并研究了振动驱动系统. 本文研究了各向同性干摩擦下,单模块三相振动驱动系统的粘滑运动. 考虑到库伦干摩擦力的不连续性,振动驱动系统属于Filippov 系统. 基于此,运用Filippov 滑移分岔理论,分析了振动驱动系统不同的粘滑运动情况. 根据驱动参数的不同,系统运动的滑移区域被分成4 种基本情形. 对这些情形分类讨论,得到系统的6 种运动情况. 然后对这6 种运动情况进行归纳,最终得出系统一共存在4 种不同的粘滑运动,而且也解析地给出了发生这4 种粘滑运动的分岔条件. 分岔条件包含系统的3 个驱动参数,通过变化这些参数,得到了系统运动的分岔图. 借助分岔图,详细分析了随着驱动参数的变化,系统如何实现不同粘滑运动类型之间的切换,并从分岔角度给出了相应的物理解释. 最后,通过数值方法直接求解原运动方程,数值解法得到的4 种运动图像与理论分析一致,验证了系统运动分岔研究的正确性.      

行进绳索在横向流体激励下的运动

给出横向流体对行进绳索的作用力描述,建立了绳索的动力学方程。由于该方程具有零刚度特征,引入Pilipchuk变换,以自平衡状态起度量的径向振动和回转运动来描述绳的运动,获得非零刚度系统。然后,用两变量参数摄动法求得绳索关于扩张振动和回转运动的约化型,使得绳索运动可近似由一个二维动力系统来描述。最后,用数值方法讨论了行进速度和重力对绳索运动形态的影响。     

全弹性平面运动机器人的高精度运动控制和振动抑制算法研究

为实现对基座、关节和臂均存在弹性的空间机器人运动高精度控制及多重振动抑制,建立了基座、关节和臂全弹性空间机器人动力学模型,并采用运动有限维PD重复学习控制及振动同步抑制方案进行研究.首先,利用线性弹簧、扭转弹簧和欧拉-伯努力梁理论,假设模态法和动量守恒定律,采用拉格朗日方程建立了弹性基座、柔性关节和柔性臂空间机器人动力学模型,之后,选取反映柔性臂振动的前两阶模态及基座和关节刚性运动变量为慢变子变量,选取基座和关节弹性振动变量为快变子变量,根据奇异摄动理论将系统降维分解成慢、快变子系统.最后设计了慢变子系统的运动有限维PD重复学习控制及快变子系统的线性最优双重减振控制构成的总控制器.数值仿真结果验证了算法的有效性.     

VIBRO-IMPACT DYNAMICS OF PIPE CONVEYING FLUID SUBJECTED TO RIGID CLEARANCE CONSTRAINT 1)

管道与间隙约束间的碰撞振动是工程输流管结构的一个重要动力学现象. 迄今,人们通常采用光滑的非线性弹簧来模拟管道与间隙约束之间的碰撞力,但这种光滑的碰撞力无法真实反映碰撞前后管道状态向量的非光滑传递特征. 本文基于非光滑理论建立了具有刚性间隙约束简支输流管的非线性碰撞振动模型,利用 Galerkin 法离散了无穷维的管道模型, 并引入恢复系数构造了碰撞前后管道各处状态向量的传递矩阵,运用四阶龙格库塔法分析了脉动内流激励下管道与刚性间隙约束的非光滑碰撞振动现象,着重讨论了刚性间隙约束参数对管道动态响应随流速脉动频率变化的影响规律,特别是碰撞振动的周期性运动规律. 研究结果表明,刚性约束间隙值对管道碰撞振动行为的影响较大,在某些脉动频率下管道会出现多周期和非周期性的运动形态,还可出现非光滑系统特有的黏滑现象. 此外,碰撞恢复系数对管道振动的影响也比较显著,较小的恢复系数值更容易使管道在大范围脉动频率区间出现复杂的非周期碰撞振动.     

生物系统的动力分析——发展趋势及研究课题

本文提出一种生物系统动力分析的计算机方法.虽然生物系统包括所有活的生物体,然而具有兴趣的生物系统是人体,因此本文集中在人体模型及其动力分析上.分析的范围包括碰撞(如车祸)及一般运动(如推-拉或坐-站等).这些分析可应用于工作场所设计(人体工程分析),安全分析(受伤机理及预防),效能的增强(运动与训练)以及复原(假肢设计).本文提出可供这些分析的方法.这种方法以建立控制方程的 Kane 方程为基础.(对生物动力学模型的分析,Kane 方程被认为是最理想的.它兼有拉格朗日及牛顿-欧拉方程二者的优点,而无相应的缺点.)所讨论的方法包括使用物体连接数组,欧拉参数及正交余补数组.最后讨论了尚待解决的问题及研究课题.     

具有刚性间隙约束输流管的碰撞振动

管道与间隙约束间的碰撞振动是工程输流管结构的一个重要动力学现象. 迄今,人们通常采用光滑的非线性弹簧来模拟管道与间隙约束之间的碰撞力,但这种光滑的碰撞力无法真实反映碰撞前后管道状态向量的非光滑传递特征. 本文基于非光滑理论建立了具有刚性间隙约束简支输流管的非线性碰撞振动模型,利用 Galerkin 法离散了无穷维的管道模型, 并引入恢复系数构造了碰撞前后管道各处状态向量的传递矩阵,运用四阶龙格库塔法分析了脉动内流激励下管道与刚性间隙约束的非光滑碰撞振动现象,着重讨论了刚性间隙约束参数对管道动态响应随流速脉动频率变化的影响规律,特别是碰撞振动的周期性运动规律. 研究结果表明,刚性约束间隙值对管道碰撞振动行为的影响较大,在某些脉动频率下管道会出现多周期和非周期性的运动形态,还可出现非光滑系统特有的黏滑现象. 此外,碰撞恢复系数对管道振动的影响也比较显著,较小的恢复系数值更容易使管道在大范围脉动频率区间出现复杂的非周期碰撞振动.      

振动驱动移动系统平面避障运动分析

近年来,工业机器人的应用领域日益广泛,可移动机器人的发展备受关注,为了在一些复杂环境中准确地完成作业,学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文研究了在各向异性黏性摩擦环境中一类有两个在平行轨道内做正弦运动的内部质量块的振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统完成包括避障等规定作业的驱动设计方法.首先利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;然后,利用速度Verlet积分法分析了系统的运动规律,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;最后,结合振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统沿预设路径运动和实现避障运动的驱动设计方法.通过曲线离散得到了系统沿预设路径运动的移动轨迹,进而通过改变内部质量块的驱动参数,使系统沿预设路径运动.为了使移动系统在障碍物环境中达到目标位置,提出了结合栅格法,Floyd算法及最小顶点圆法的优化的路径规划计算方法,得到了振动驱动移动系统在障碍物环境中运动的最优路径,并通过改变内部质量块的驱动参数实现了移动系统的避障运动.     

斜拉索非线性振动跳跃过程实验研究

斜拉索振动中的"跳跃"现象是一种典型的非线性行为.虽然,在以往的理论和实验研究中已发现该现象,但是,却没有直接观测到其发生的过程.为探究斜拉索"跳跃"过程及该过程中的非线性动力行为,根据动力相似理论的弹性力-重力相似律设计了斜拉索实验模型.通过在扫频试验中使激励频率恰好等于"跳跃"的临界频率,直接观测到斜拉索自发发生的"跳跃"过程.对空间运动形态变化规律和特征的研究发现:斜拉索"跳跃"过程空间运动不仅仅是振幅突然改变,而是经历了面内外振幅急剧减小、面内外振动交替占主导及"气圈"运动逆顺时针交替变换3个阶段.     

小参数法在悬垂索共振中的应用

当面外横向振动和面内横向振动频率的比接近1:2时,悬索会出现面内和面外耦合共振现象。为了研究悬索这种复杂独特的非线性特性,利用多尺度法对谐波激励的悬索动力学方程进行求解,得到对应于不同阶小量的偏微分方程组,其中二阶小量偏微分方程中的久期项不为0;采用提出的小参数法可以得到由久期项引起的悬索振动形态,解决久期项频率与系统频率相同但不能直接求解的问题;为了证明小参数法的准确性,采用Galerkin方法离散悬垂索的运动方程,然后利用多尺度法求解离散的运动方程,得到采用基函数描述的由久期项引起的连续系统的振动形态,与小参数法结论一致。     

人体生物摩擦学的研究现状与展望

介绍了人体生物摩擦学的概念,分析了头发、眼睛、皮肤、牙齿和关节等系统的生物摩擦学研究现状,就血液、人工心脏泵、人工心脏瓣膜和食品味觉的生物摩擦学研究方向进行了展望.指出当前人体生物摩擦学研究的关键科学问题主要包括人体摩擦副的特殊摩擦学行为及机理、模拟人体生物环境条件的人工器官摩擦磨损试验方法研究、人工材料在体内的生物摩擦学行为反应预测及磨粒在体内的生物反应和临床病症的评定.