考虑生长-力学耦合效应的生物软组织中弹性波的传播

The interaction between growth of biological soft tissues and elastic waves is a significantly meaningful frontier topic, which is valuable for clinic applications such as diagnosis of various diseases. Based on previous studies on elastic waves propagation in the multi-scale piezoelectric structures, etc, this project will adopt the theory of acoustoelasticity and finite element method in continuum mechanics to investigate theoretically and numerically the elastic waves propagation in biological soft tissues considering growth-mechanical coupling effect. Firstly, this work will establish the basic equations of acoustoelasticity theory for biological soft tissues with the growth-mechanical coupling. Based on which, propagation of anti-plane and plane elastic waves in the layered structures of biological soft tissues will be analyzed, especially the frequency dispersion of waves in the layered medium. Research focus will be put on the influence of growth parameters, pre-deformation, nonlinear material properties and geometric configuration on the waves propagation and frequency dispersion. Secondly, it will explore the analytical method to determine the growth state of biological soft tissues from the characteristics of elastic waves propagation. Thirdly, the growth evolution and the morphology development of biological soft tissues under both the growth and the elastic waves will be revealed through the numerical simulations. Research outcomes can not only complement the fundamental study on the dynamics of biological soft tissues, but also possess the great potential for the practical applications in the fields of medical diagnosis and treatments, life health, biological engineering and so on.

生物软组织的生长与弹性波之间的相互作用是一个有重要意义的前沿课题，对于各种疾病的诊断等具有临床应用价值。在以往多尺度压电结构中弹性波传播等研究的基础上，本项目应用连续介质力学的声弹性理论和有限元方法，对弹性波在考虑生长-力学耦合效应的生物软组织中的传播展开理论和数值研究。本项目将首先建立生长-力学耦合的生物软组织的声弹性理论基本方程。在此基础上，分析反平面波和平面波在生物软组织多层结构中的传播，尤其是多层介质中波的频散特性。重点讨论生长参数、预变形、材料非线性性质、几何结构等对弹性波传播和频散特性的影响。其二，探索通过弹性波传播特性确定生物软组织生长状态的解析方法。其三，利用数值模拟手段揭示生长和弹性波共同作用下生物软组织的生长演化和形态发育特征。研究成果不仅可以补充完善生物软组织动力学问题的基础研究，而且在医学诊断和治疗、生命健康、生物工程等领域具有重要的潜在应用前景。

本项目重点关注生长-力学耦合作用下，弹性波在生物软组织中的传播特性以及弹性波载荷对生物软组织生长的影响。在此基础上，研究了基于软材料表面失稳的膜-基结构带隙特性。此外，还开展了超低渗透率孔隙介质中气体的运移、高性能金属材料的塑性变形和疲劳机理等主要研究，以及先进纳米复合材料的制备和性能、表面结构互动减阻等其它研究。主要研究内容包括：.（1）SH波和Lamb波在双层生物软组织中的传播。.（2）表面失稳膜-基结构的实验制备和带隙特性.（3）超低孔和超低渗页岩储层中气体运移的流-固耦合视渗透率模型.（4）纳米晶镍钛SMA单向形状记忆效应和疲劳行为、316L钢的纳米压痕疲劳行为、Al0.3CoCrFeNi塑性变形原子尺度机理和表面形貌对CoCrFeMnNi刮擦行为的影响.（5）环氧树脂基纳米复合材料的制备和疏水性、电学和热学性质，表面结构互动减阻等.基于上述研究内容，项目取得的重要研究成果包括：.（1）推导了非定常生长条件下生物软组织连续介质力学的增量型基本方程。发现了Lamb波频散的基本模态中存在频率截断、频率阻隔、带通和带隙等特殊现象。建立了利用频散特性反演材料性质和变形的解析方法和机器学习方法。.（2）发展了利用表面失稳制备高质量膜-基带隙系统的实验工艺，利用有限元模拟和振动实验进行了验证。.（3）建立考虑多种流动机制和固体变形的页岩气运移视渗透率模型，并扩展至各向异性和双孔介质情况。.（4）揭示了所研究金属材料的塑性变形和疲劳行为的位错运动、晶界演化和相变等机理，分析了多种参数对塑性变形、纳米压痕疲劳和刮擦行为的影响。.（5）结合化学改性和纳米掺杂方法，成功制备了具有优异超疏水性、电导率和热膨胀系数的多种环氧树脂纳米复合材料。设计了一种通过滑动界面上表面结构的互动作用来控制摩擦力的对摩副。.