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关键词： 骨组织工程   基因治疗   磁转染   电磁场   椎间融合  

摘要： 目的:优化电磁场参数(磁场频率、磁感应强度和暴磁时间)与磁性氧化纳米颗粒浓度的组合,从而使其发挥最佳的促磁转染效应,构建具有微血管结构的组织工程化骨以促进椎间融合。方法:本研究首先利用电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒将micro RNA-21分别转染进骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞中。在体外,本研究采用蛋白质印记法、聚合酶链式反应、细胞免疫荧光染色、碱性磷酸酶染色和茜素红染色来评估成骨相关基因的表达;同时,本研究进行了细胞伤口愈合实验、Transwell实验、管形成实验和细胞免疫荧光染色来评估血管生成效果。本研究继而将工程化的骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞接种到聚己内酯和羟基磷灰石混合支架上。随后,本研究构建大鼠椎间融合模型以评估植入混合支架的种子细胞的体内成骨能力。使用X射线、micro-CT和组织化学染色来观察椎间融合情况。结果:在体外,电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒的共同刺激可以显著提高磁转染效率。将mi R-21转染进骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞中,可引导其细胞行为以促进成骨和血管生成。在体内,上述基因编辑过的种子细胞种植在聚己内酯和羟基磷灰石混合支架上,可发展成理想化的工程化骨以实现椎间融合。结论:本研究表明,用于将mi R-21递送至骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞的磁转染系统可以在体内和体外显著促进成骨和血管生成,且电磁场和聚乙烯亚胺包被的磁性氧化纳米颗粒的共同刺激可以显著提高磁转染效率。而上述磁转染系统有望成为治疗各种骨科疾病的有效方法。

关键词： 电磁场   电磁波   教学改革探索   《电磁场与电磁波》  

摘要： 针对《电磁场与电磁波》课程教学中存在的问题，从适当补充数学知识、引入电磁波在日常生活中的应用实例、借助多种教学媒介丰富教学形式及增加实验内容等方面，对教学进行改革，提高学生的学习积极性和主动性。

关键词： 电磁轨道发射   电磁场   温度场   多场耦合   数值分析  

摘要： 电磁轨道发射将电磁能转化为电枢运动所需要的动能,推动电枢在轨道中加速以获得超高发射速度,相比于传统的发射技术,因其发射速度大、发射效率高和可控性强等优势,具有十分广阔的应用前景。研究发射过程中电磁热力多物理场强耦合问题及其影响过程,对精确分析枢轨等核心部件的发射安全性和物理场环境具有重要的作用。本文的主要研究内容为: (1)介绍电磁轨道发射系统工作原理,对系统结构组成及等效电路进行分析;分析电磁热力各个物理场的理论基础与控制方程,利用毕奥-沙伐定律推导枢轨的磁感应强度计算公式;利用热传导方程求解枢轨的热量来源和温升状况;分析机电耦合的电枢动力学参数模型,利用控制方程对结构体内部的热应力应变进行分析。对电磁热力多物理场参量之间的强耦合关系及计算方法进行分析,为建立电磁热力耦合模型奠定理论基础。 (2)建立电磁轨道发射系统的电磁热力多物理场单向耦合模型,对枢轨的磁感应强度、电流密度的分布特征以及瞬态电磁力的变化进行分析,其次考虑焦耳热和摩擦热对枢轨温升的影响,最后对应力应变分布进行分析。 (3)研究电磁热力多物理场强耦合计算问题,从摩擦系数、接触电阻和枢轨材料热膨胀系数变化等主体影响因素进行分析,对摩擦系数的变化进行实验测量。从摩擦系数和接触电阻瞬态变化的角度考虑轨道变化的电导率的焦耳热和滑动摩擦热及接触电阻热共同对枢轨温升的影响;从枢轨材料非线性变化及接触压力瞬态特性的角度考虑应力分布情况。通过建立动态发射状态下的电磁热力三维强耦合计算模型,对枢轨的电流密度、磁感应强度、温升和应力的分布特征分析,并与单向耦合模型结果进行对比。 本文针对电磁轨道发射系统电磁热力强耦合问题进行分析,合理模拟发射过程中的多物理场耦合现象。强耦合计算能够获取发射过程中的实时物理量参数,为材料进一步设计制造和系统可靠性预测奠定基础。

关键词： 大模数重载齿条   动态加热   温度分布   数值模拟   电磁场  

摘要： 大模数重载齿条是目前一些大型工程中常用的传动件,具有传动效率高、结构紧凑、寿命长、工作可靠等特点。由于其本身的结构尺寸过大,导致了大模数重载齿条在以往的感应加热方法中难以得到理想的淬火效果。变速移动感应加热作为一种区别于静态感应加热、匀速移动感应加热的移动式感应加热方法,能够通过速度调节减少大模数重载齿条在斜齿面上加热不均匀的现象,有效的避免了以往的感应加热方法中由齿顶、齿底产生的边缘效应对于加热效果的影响。本文的主要研究内容有:首先,通过ANSYS仿真软件,分别模拟静态、匀速移动以及变速移动感应加热下齿条的加热过程。在静态感应加热分析中,研究电流分布、热流量密度分布以及磁感应强度分布对于温度分布的影响。在匀速感应加热分析中,基于ANSYS二次开发,采用动态建模的方式使感应器在齿条斜齿面上做匀速直线运动,探究感应器在相同速度下对于感应加热效果的影响。其次,在初次变速移动感应加热分析中,基于动态建模的方式,提出一种“齿面路径自适变调速方法”,在该方法下重新对斜齿面进行网格划分,并提出了相对应的计算流程。通过不同温度线上沿齿宽及截面上的温度分布,分析只在初始速度变化比例影响下感应器速度变化对于温度分布的影响。细分斜齿面区域,研究在初始速度变化比例和速度变化比例影响下,对于齿面不同区域、不同路径上温度点的温度影响效果。最后,搭建大模数重载齿条变速移动感应加热实验台架,对比沿齿宽、齿廓、截面方向上焊点的实验温度数据和模拟温度数据,验证了变速移动感应加热模拟方法的准确性以及在该方法下提升齿条淬火效果的可靠性。

关键词： 爆磁压缩发生器   等离子体   含铝炸药   磁场扰动   数值模拟  

摘要： 等效电路模型是目前工程上应用最广的螺旋型爆磁压缩发生器(HMFCG)数值模拟方法。但其磁能和磁通量损耗模型一直不够完善,不能准确的预测爆磁压缩发生器电流的放大。爆炸场高温、高压的特性能使其爆轰产物电离成等离子体,等离子体运动产生Boronin电流,从而产生电磁辐射,并对爆磁压缩发生器的磁通量产生影响。故本文修正了等效电流模型,从爆炸场电磁辐射角度对爆磁压缩发生器的电流放大展开相关研究。 首先基于爆炸引起的多场对电流增益的影响,提出修正的等效电路模型。给出等效电路模型中造成磁能损耗的电阻计算模型以及爆炸场等效电流所引起的磁通量损耗模型。 其次通过爆轰参数标定拟合法得到9种含铝炸药的JWL-Miller状态方程参数,比较不同含铝炸药的密度、爆速、爆压,排除不合理数据。选取RA1、PBXN-109、RA15、炸药B50、RA30炸药,利用Autodyn对电枢膨胀和产物速度分布进行了计算机仿真,获得了产物速度、电枢膨胀角等数据。对不同时刻下的产物速度和电枢膨胀角进行分析可知,电枢以固定膨胀角随着爆轰波阵面运动朝输出端匀速运动,爆轰产物速度分布则只与波阵面间的相对位置有关。比较不同铝含量混合装药下电枢膨胀角和产物速度可知,含铝量低于28%时,电枢膨胀角和产物速度与铝粉含量呈负相关。爆轰产物的等效电流为爆磁压缩发生器回路电流的5.2%,表明爆炸场引起的等效电流确实会对爆磁压缩发生器电流增益产生影响。 最后基于等效电路修正模型,利用matlab编写了爆磁压缩发生器电流放大的仿真程序。针对8701装药下的FCG进行数值模拟,与实验结果对比证明了程序的正确性与可靠性。而后以PBXN-109、RA15、炸药B50对FCG进行了数值计算和试验验证。分析表明:当铝含量低于28%时,FCG电流放大倍数随铝粉含量的增加而减小,并且绕组电感和负载电感之比、负载电阻的值也影响电流的输出,其与电流增益成负相关。 综上所述可知含铝炸药爆轰所引起的电磁效应抑制了爆磁压缩发生器的电流增益,因此选择装药时,应尽量减低铝粉含量。

关键词： 不同频率   脉冲电磁场   骨量减少  

摘要： 目的:采用不同频率脉冲电磁场(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)对骨量减少的患者进行干预,观察其临床疗效,探讨较优治疗频率,为该类患者的治疗提供合理的理论依据。方法:根据骨量减少的诊断标准,选择符合本次研究纳入标准的骨量减少的患者45例,通过随机数字法分为70Hz PEMFs配合常规药物的治疗组1、15Hz PEMFs配合常规药物的治疗组2、单纯常规药物治疗的空白组三组,试验完成后,收集并整理三组患者的姓名、性别、年龄、骨密度(Bone mineral density,BMD)、碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP)、视觉模拟评分法(Visual Analogue Scale,VAS)等资料进行比较。结果:1.治疗前对三组患者的一般资料进行统计学分析,三组患者在性别、年龄上差异均无统计学意义(P>0.05)。治疗前对患者观察指标进行统计学分析,三组间患者在BMD、ALP、VAS上差异均无统计学意义。2.对治疗组1患者治疗前后的ALP、BMD、VAS进行组内比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。对治疗组2患者治疗前后的ALP、BMD、VAS进行组内比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。对空白组患者治疗前后的ALP、BMD、VAS进行组内比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。3.治疗后对三组患者的观察指标进行统计学分析,治疗后三组间BMD差异无统计学意义(P>0.05),治疗后三组间ALP和VAS差异有统计学意义。对治疗后ALP和VAS进一步进行两两比较,治疗组1与治疗组2之间ALP差异存在统计学意义(P<0.05)。治疗组1与治疗组2以及治疗组1与空白组之间治疗后VAS差异存在统计学意义(P<0.05)。结论:1.治疗组1和治疗组2短期内未能明显提高患者BMD,且治疗后两组患者BMD水平无明显差异。2.治疗组1和治疗组2都能有效提高ALP从而促进骨量恢复,且治疗后两组ALP差异存在统计学意义。3.治疗组1和治疗组2都能迅速缓解患者疼痛症状,且治疗后两组VAS差异存在统计学意义。4.15Hz、70Hz PEMFs均为有效频率,短期内BMD未见明显提高,但疼痛症状缓解迅速,ALP在短期内明显提高,值得在临床上进一步探索和研究。

关键词： 镁砂   稀土氧化物   电磁场   致密性  

摘要： 镁砂因其卓越的耐高温和抗侵蚀性而在钢铁、冶金、水泥等高温行业广泛应用。当前,镁砂的生产正朝着高纯度和高致密化的方向发展。镁砂中结合相的组合及其分布直接影响其高温性能,因此有必要对镁砂的结合相和显微结构进行优化。本文以900℃煅烧得到的轻烧Mg O粉为原料,通过物相分析、检测物理性能以及显微结构等手段,研究了稀土氧化物（ScO、YO、LaO及Hf O）对菱镁矿制备烧结镁砂致密性的影响。进一步通过电磁场烧结手段优化了含有以上四种稀土氧化物的镁砂的最佳方案。研究结果如下:（1）当添加ScO、YO或Hf O时,它们都会与Mg O发生固溶,进入Mg O晶格,引起Mg O晶格的畸变,活化晶格,促进离子扩散和烧结,促使晶粒生长。同时,它们分别与镁砂中的杂质Ca O或Si O反应生成高熔点的Ca ScO、YSiO和Ca Hf O相,填充在Mg O晶粒之间,减少孔隙,提高致密度。LaO的添加会与Ca O和Si O生成Ca LaSiO相,改变了Mg O晶粒间的结合相,提高了Mg O晶粒间的结合能力。（2）在添加ScO的镁砂试样中,电磁场烧结显著增强了Sc的固溶程度,改变了枝晶形成过程,细化了组织,从而提高了含ScO的镁砂试样的致密度。在电磁场强度为16 Kw时,含有3 wt%ScO的镁砂试样表现出最佳性能。（3）电磁场提供了离子扩散驱动力,提高了离子的迁移能力,影响了晶间结合相的形成及性质。在添加YO的镁砂试样中,除了YSiO外,还生成了Mg YSiO和CaYSiO相,新相的生成提高了试样的致密度,电磁场强度为16 Kw时,含有2 wt%YO的镁砂试样表现出最佳性能;在添加LaO的镁砂试样中,除了生成Ca La4SiO外,还会生成LaSiO相,这两相共同作为晶间结合相填充了孔隙,增强了试样的致密性,电磁场强度为18 Kw时,含有1.5 wt%LaO的镁砂试样表现出最佳性能;在添加Hf O的镁砂试样中,结合相为Ca Hf O和MgHfO,提高了镁砂的烧结能力,电磁场强度为16 Kw时,含有2 wt%Hf O的镁砂试样表现出最佳性能。（4）综合物理性能指标,制备镁砂的最优配方为添加3 wt%ScO,电磁场强度为16 Kw。

关键词： 磁耦合装置   海洋环境   无线电能传输   软磁材料  

摘要： 我国海洋面积广阔,开发潜力巨大,而水下潜航器在海洋资源开发中有重要的应用。水下潜航器的动力来源主要是蓄电池供电,因此续航能力和工作范围受限成为限制水下航行器工作能力的主要问题。而无线电能传输技术在发射端和接收端之间进行能量传输的同时实现完全密封,将其应用于水下潜航器充电,可以显著提高水下潜航器的作业时间和隐蔽性,是未来水下潜航器充能的重要发展方向。磁耦合机构是实现无线电能传输发射端与接收端之间能量传输的关键部件,磁耦合机构的设计优化对水下无线电能传输技术的研究有着重要意义。该研究采用有限元仿真方式对磁耦合机构材料及结构参数对磁耦合机构电磁性能参数的影响进行分析,包括磁耦合机构导线材料与软磁材料分析对比,得到在0-100 k Hz范围下,采用Litz导线能够减小磁耦合机构的等效内阻,降低系统损耗;并得出在锰锌铁氧体和纳米晶材料的磁导率超过一定值后,两种材料的替换对磁耦合机构的自感与互感等参数影响较小。然后在得到对应规律的基础上对磁耦合机构进行优化设计,设计的磁耦合机构具备轻质量、小体积的结构特点,具备磁场收敛性好、抗轴向旋转能力好、工作效率高的优点。在完成对磁耦合机构的优化设计后,制作磁耦合机构实物对仿真结果进行验证,针对磁耦合机构的实际参数设计相应的补偿电路及功率变换电路并进行系统仿真得到系统的设计参数。设计的无线电能传输系统采用S-S拓扑补偿网络,发射端功率变换采用全桥逆变电路、接收端功率变换采用全波整流电路。采用射频通信和调频调功方式实现无线电能传输系统的闭环控制。设计的无线电能传输系统电路的能够实现稳定的额定功率传输,满足对磁耦合机构的性能验证的需求。最后,对设计的无线电能传输系统进行防水密封设计,并将系统样机与水下充油电池、负载等装置进行组装,完成水下无线充电实验平台的搭建。利用实验平台对磁耦合机构进行空气、水池、海洋三种不同环境下的工作性能实验验证。近海环境中无线电能传输系统样机能够达到的最大充电功率为1008 W,最大效率为92.8%。

关键词： 心理旋转能力   场认知方式   电磁场   电磁场模型  

摘要： 心理旋转能力和场认知方式作为空间能力和认知方式中的两个重要个体差异变量,已有许多研究者对其展开应用研究,如其对学业成绩、专业选择的影响,与个体差异的关系等。本实验目的是将心理旋转能力与场认知方式和电磁场模型解题水平相结合,研究不同心理旋转能力、不同场认知方式的高中生解题水平的差异。希望通过本研究揭示高中生学习电磁场困难的认知层面因素,为提高电磁场章节教学效果、优化教师教学策略和学校课程提供一定依据。本实验研究以上海市某高中高二学生为被试,采用《心理旋转测试》(MRT)和《镶嵌图形测试》(EFT)中的量表,以心理旋转能力、场认知方式、性别、班级类型为自变量,以被试的电磁场模型解题水平为因变量,以自编《电磁场模型解题水平测试卷》得分为指标,进行2心理旋转能力(强、弱)×3场认知方式(场独立型、场中间型、场依存型)×2性别(男生、女生)×3班级类型(非物理班、物理普通班、物理提高班)四因素混合实验。本研究分析讨论了高中生心理旋转能力和场认知方式对电磁场模型解题水平的影响,得出以下主要结论:(1)高中生的场认知方式在性别、选科类型和班级类型上均不存在显著差异。心理旋转能力在性别和选科类型上存在显著差异,男生显著高于女生,物理班学生显著高于非物理班学生。不同场认知方式学生的心理旋转能力存在显著差异,场认知方式越倾向独立型的学生,其心理旋转能力越强。(2)在高中生电磁场模型解题水平的影响因素分析中,心理旋转能力和场认知方式的主效应显著,存在极显著的正相关,心理旋转能力越强,场认知方式越倾向独立型的学生,其电磁场模型解题水平越高。(3)在解决电磁场模型三维空间几何运算和三维空间旋转问题中,场独立型学生和心理旋转能力强的学生均表现出显著优势;而在解决二维空间、三维空间分布问题和相互作用问题中,并没有发现此现象。

关键词： 金属材料   腐蚀   电磁场   扩展逐层方法   损伤  

摘要： 航空金属结构服役于复杂恶劣的工作环境,容易受到腐蚀介质的影响。当外界环境与腐蚀介质共同作用时,金属腐蚀效应就会变得非常复杂,如复杂电磁环境下飞机雷达罩连接体的金属腐蚀。关于高强度辐射场与腐蚀环境耦合作用的研究较少,研究航空金属结构在外加电磁场和腐蚀环境耦合作用下的腐蚀行为具有重要意义。本文结合多物理场扩展逐层方法,建立电磁场作用下金属腐蚀问题的扩展逐层分析模型,并对含损伤金属结构腐蚀耦合问题进行分析。本文的主要研究内容包括:首先,基于麦克斯韦方程和腐蚀动力学理论建立了电磁场作用下的腐蚀耦合问题分析模型,从多角度研究了电磁场对腐蚀反应过程的作用机理,得到了相应的经验规律。然后,将氧化扩散反应腐蚀动力学方程引入化-力耦合混合变分原理中,推导了金属氧化物生长的化-力耦合控制方程,结合多点约束方法,建立了高温腐蚀氧化物生长的化-力耦合扩展分析模型,并进行数值对比验证。进一步建立了电磁场作用下金属高温腐蚀氧化生长沉积的化-力耦合扩展逐层分析模型,分析了不同磁场强度对氧化物生长沉积的作用规律,并考虑了损伤的影响。最后,基于化-力混合变分原理,推导了扩散机制主导下的电化学腐蚀界面控制方程,建立了腐蚀界面相变机制下的化-力耦合扩展逐层方法,并验证了该方法的正确性。在此基础上,建立了电磁场作用下扩散主导的电化学腐蚀界面化力耦合扩展逐层分析模型,分析了不同磁场强度对金属腐蚀速率的作用机理,并考虑了损伤的影响。