创新超大海工结构理论 探索耳蜗主动感音机制

上海大学姚文娟教授在土木工程和生物力学跨领域潜心钻研,勇攀科学高峰,取得了重要研究成果,为相关领域的发展做出了卓越贡献。她带领团队成功开发出沿海恶劣环境下超大海工结构基础高桩的理论体系和计算设计方法,为深海工程建设奠定了坚实基础。与此同时,她还积极拓展前沿科学研究领域,她以多学科交叉思维构建全新耳蜗模型,深入探索耳蜗感音机制中的关键结构在电生理环境下与淋巴液多场耦合作用的行为特征,从而认知耳蜗的主动感音放大机理,为解决耳蜗临床医学上的难题提供有效的理论基础及应用支撑。

创新超长桩计算之法,破局深海难题

深海环境与陆地截然不同,其桥梁及港口水工结构码头所处的海洋环境复杂多变,不可避免地会遭受恶劣风浪的冲击。在我国,高桩承台结构是应用最为广泛的基础形式之一,然而,该结构直接承受着由台风或飓风引发的极端波浪的冲击作用,这种情况给基础的设计、施工以及防灾都带来了严峻的挑战。与此同时,深海超大工程基础还会受到偶然事件荷载的共同作用,例如船舶撞击震动等。但到目前为止,这些问题尚未得到充分的研究,这导致海洋桩基的设计缺乏严谨的理论科学依据。

群桩模型图

然而,与恶劣环境相对应的新型基础结构缺乏系统的计算理论,由于超长高桩的侧摩阻力及荷载传递与常规普通桩有很大差异,超长桩的桩 - 土相互作用机理更为复杂,从而导致其承载性状和受力变形性状机制尚不明确。截至目前,此类超长桩的设计规范仍较为缺乏,现有的计算方法也无法满足深海超大规模基础计算与精准设计的要求。这些都是深海超大工程基础设计与施建造所面临的关键问题。鉴于此,姚文娟教授科研团队系统开发出沿海恶劣环境下的超大海工结构基础高桩的理论体系和计算设计方法,展现出了卓越的创新能力和深厚的学术造诣。

创新提出超长桩软化 - 强化荷载传递模型

她们创新提出了深厚饱和软黏土超大海工基础超长桩新的软化 - 强化荷载传递模型。针对超大型海工基础超长桩桩侧土体摩阻力上部软化、深部强化这一实测发现,科研团队精心构建了吻合实际工况的最新上部软化的荷载传递及深部强化的荷载传递模型。不仅如此,他们还凭借高超的编程技术,自编了相应的计算程序并成功嵌入通用软件 Abaqus,有效解决了通用软件无法考虑基础周围土体软强化的计算难题。经与实测数据对比,该团队提出的模型计算结果相比以往的方法,与实际工程的契合度更高,计算精度大幅提高了 20%。

创新研发新型非线性计算方法及系统

姚文娟教授科研团队还创新研发了深厚饱和软黏土超大海工超长桩的新型非线性计算方法及系统。他们以敏锐的洞察力,率先采用全面吻合实际桩 - 土相互作用的三维固结理论来计算桩周土体沉降,充分考虑港口工程中大量堆货工况导致桩侧负摩阻力增大的特点,巧妙地通过积分法和 Bessel 函数递推法相结合,精准推导得到了堆载作用下超长桩与土体的位移及应力的矩阵表达式。其相关论文荣登土木工程国际顶级期刊 ASCE 的《International Journal of Geomechanics》(封面论文),彰显了团队的卓越成就。此外,他们结合高桩码头承受倾斜荷载作用、桩基承受拉力的特性以及桥墩基础之间的流体激振作用,充分考虑软黏土随时间再固结的实际工况,进行了大量试验研究。在此基础上,他们提出并研发出了系统的理论计算方法以及适用于非线性大变形分析的数值软件,成功攻克了深厚饱和软黏土地基下深海港工基础超长桩缺乏理论支撑及计算方法的瓶颈问题,公开发表了系统完整的专著以及大量有影响力的论文,部分成果更是被纳入国家设计规范,为行业发展树立了标杆。

开发超长群桩动力响应分析模型

科研团队开发出在役工况下深厚饱和软黏土超大海工基础超长群桩动力响应分析模型。他们深入研究深海超长桩基在役期间受到循环波浪荷载以及波浪和船舶撞击荷载共同作用下的动力稳定性,并确定最优化群桩间距。同时,充分考虑桩身混凝土材料特有的不同模量特性以及基础运行期间的冲刷问题,在大量试验研究的基础上,开发出理论解析计算组合群桩动力响应和动力阻抗等分析方法及系统,结果与现场测试高度吻合,其相关论文发表在土木工程国际顶级期刊《Ocean Engineering》及中科院 TOP 期刊《Applied Mathematical Modelling》。这一成果精准有效地解决了实际工程中超大海工基础与周围土体在反复循环荷载作用下动力行为的计算难题,再次凸显了团队的强大实力。

课题组成员徐旭教援

姚文娟教授科研团队(徐旭教授等)在土木工程领域的一系列创新成果,不仅为深海工程建设提供了坚实的理论基础和先进的计算方法,也为推动我国土木工程行业的发展做出了卓越贡献。他们以严谨的科学态度、创新的思维方式和不懈的努力,在土木工程的广阔天地中铸就了辉煌成就。

构建耳蜗模型,探寻感音奥秘

到如今,准确诠释耳蜗主动感音放大机制仍是重大医学难题。耳蜗主动感音放大功能实现涉及多组织结构复杂耦合运动和能量转换,其生物物理机制不明。其中微观组织结构附属在基底膜上,基底膜运动模式至关重要,准确刻画基底膜运动则是诠释耳蜗主动感音放大机理的关键科学问题。

针对这一关键问题,上海大学姚文娟教授团队(梁俊毅以及马剑威)以多学科交叉思维为引领,基于数学、生物力学、生物电学和医学等多学科原理,从宏观到微观的不同视角出发,积极构建全新的耳蜗模型。通过深入探索耳蜗感音机制中的关键结构 —— 基底膜、盖膜及毛细胞在电生理环境下与淋巴液的多场耦合作用行为特征,他们认知耳蜗的主动感音机理,以有效解决当前耳蜗临床医学所面临的难题。

在研究进程中,姚文娟教授课题组充分融合数学物理及生物学等多学科理论,巧妙运用张量映射方法,成功推导出空间螺旋耳蜗中淋巴液与基底膜的流 - 固耦合运动控制方程,进而建立了高度吻合真实人体的空间螺旋形体耳蜗宏观结构的力学理论解析模型和数值联合模型。基于扎实的理论解析和精准的数值分析,团队惊喜地发现耳蜗宏观支撑结构基底膜在低频下呈现出一种全新的运动模式 —— 驻波振动。这一重大发现弥补了诺贝尔获奖者盖欧尔格・冯・贝凯希于 1960 年通过实验提出的基底膜行波运动理论的局限性,有力地诠释了低频感音机制和行波理论无法解释的诸多近代实验现象。此项重要成果为上海大学力学与工程科学学院姚文娟教授的科研团队赢得了国家自然科学基金面上项目 “耳蜗主动感音机制中多物理场耦合非线性行为特征研究” 以及国家自然科学基金重点项目 “基于耳蜗宏微观多结构联动的听觉主动放大机制”。

姚文娟教授以生物力学和生物电学原理为依托,目标是建立反映耳蜗实际尺寸和生理特征的多物理场及化学耦合理论模型,运用数值仿真模拟感音过程。通过理论分析和数值计算,刻画耳蜗关键结构与淋巴液的耦合非线性行为和能量转换规律,探究耳聋病理与力 - 电 - 化耦合关系,阐释耳蜗感音主动机制,探讨微观结构运动与离子通道、膜蛋白电荷转移的关系。从多学科机制上全方位揭示耳蜗主动感音放大机理,为术后听力恢复预测提供数值平台,为解决感音性耳聋问题提供理论依据和应用基础。目前,揭示基底膜新驻波运动模式的文章已在中科院一区国际 TOP 期刊《非线性科学与数值模拟通讯》成功发表。

姚文娟教授

姚文娟教授在生物力学领域的卓越研究成果,为耳科医学的发展带来了新的理论支撑和实践指导。她的研究成果为耳科医学领域的学术探索提供了重要的理论依据,有助于推动该领域的深入研究和发展,在应用方面具有重大意义。她以扎实的专业知识、严谨的科学态度和创新的思维方式,在生物力学与耳科医学的交叉领域取得了显著成就。她的突出贡献为整个科研领域树立了典范,激励着更多的科研工作者积极探索、勇于创新,为推动医学进步和人类健康事业的发展贡献力量。

姚文娟教授无疑是学术界的一颗璀璨之星。无论是在哪个领域,她都展现出了非凡的能力与卓越的成就。她始终以严谨的态度对待每一项研究,用智慧和汗水在不同的学术领域书写着辉煌篇章。