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关键词： Electromagnetic fields   Mathematical model   Molecular dynamics method   Cell cycle   Phase plane analysis  

摘要： To study the mechanism of cells subjected to external electromagnetic fields, the expression of cyclin kinase inhibitor p27 is analyzed in the four cell cycle phases. The regulatory functions are investigated in gap phase1 to synthesis, gap phase 2 to mitotic phase and post mitotic phase transition in the mammalian cell cycle processes. A mathematical model is developed to meet the general cell cycle regulatory network based on the molecular dynamics method. Phase plane analysis results show that the p27 over-expression can lead to the hysteresis effect of cell cycle processes and phase transition delay. It is an universal approach to predict the key regulatory gene in signal transduction pathway.

关键词： 高频电磁场   场强分布   乳状液   数学模型  

摘要： 场强分布作为高频电磁场一个重要微观物理参量对其脱水效果存在显著影响。本文通过实验，仿真系统研究了场强分布对高频电磁场脱水效果影响的规律。 论文首先利用加工的平板和同轴电容器进行实验，得到了不同电压大小以及电容器结构(场强方向)下，脱水率与电压和电容器结构(场强方向)的关系；并通过均匀试验设计，研究了不同含水率以及辐射时间下，脱水率与电压的关系。 其次运用comsol软件建立有限元模型，计算了不同电压大小以及电容器结构(场强方向)下，乳状液的场强大小。 然后，由实验结果并结合计算出的场强值，拟合了脱水率与场强值的经验公式。 最后通过对乳状液微观数学模型的计算并与实验数据相比对，从乳状液温度场角度分析了场强分布对高频电磁场脱水的影响规律。 通过本文的研究表明，场强分布对高频电磁场脱水效果存在显著影响。在高频电磁场作用下，随着乳状液场强值的增大，脱水效果明显提高，但乳状液内部电场强度不宜过高，否则容易造乳化水滴气化，从而导致脱水率下降。乳状液的场强大小相等的情况下，同轴电容器的脱水率要高于平板电容器。

关键词： 脉冲电磁场   骨结合   成骨细胞   钛种植体   表面形貌  

摘要： 种植体/骨界面反应是指在种植体植入至功能负重后，种植体表面和骨之间以及邻近骨组织进行的一系列骨形成、骨吸收和骨改建的过程。种植体的成功与否取决于种植体/骨界面的结合方式，上世纪七十年代Br nemark教授提出了骨结合理论。骨-种植体的骨结合是代谢活跃的骨组织和具有生物相容性的异质材料的结合，以及在后续功能负载条件下的持续的结合状态。在众多异质材料中，钛及钛合金种植体在临床应用过程中取得了良好的成功率，因而钛及钛合金成为目前应用最为广泛的种植体材料。然而这类种植体依然存在两大主要问题：首先种植体植入体内后通常需要3-6个月的愈合期；其次一些全身因素，如骨质疏松、糖尿病、口干症以及放射治疗都会影响种植体的骨结合，进而导致种植体成功率和存在时间的下降。在骨科和口腔种植等重建性治疗领域，快速牢固的骨结合可以扩大适应证范围，提高种植体的成功率，缩短临床负载前的等待时间。因此，如何获得快速且有效的骨/种植体结合对于生物材料领域是一项重要挑战。众多学者致力于研究提高种植体骨结合的策略，其中包括种植体表面改性、药物缓释系统及辅助疗法的应用等。生物物理性刺激作为一种有效提高种植体周围骨发生和骨沉积的物理辅助疗法，近年来得到了广泛的重视。 PEMF全称低强度脉冲电磁场，它是一种新兴的非电离，不产热，非接触的物理治疗手段，这种疗法安全可靠，在骨、软骨相关疾病治疗领域应用最为广泛。PEMF应用于常规手段治疗效果较差的骨、软骨相关疾病，如骨折延迟愈合、骨不连、骨质疏松等，能取得良好的效果；其已被FDI批准，成为促进骨组织、软骨组织愈合的重要辅助疗法。有学者研究发现在电磁场中可以观察到骨组织物理应力的改变，这些改变加速了骨微结构的生成和代谢；同时PEMF在组织中形成的微小磁场有利于骨组织的愈合，同时能减轻炎症反应的发生。目前认为PEMF促进骨修复的机制在于其有效促进了成骨细胞的活性。尽管有众多研究证实PEMF有显著地促成骨作用，然而对于PEMF在种植体表面的成骨作用研究较少。近年来，一些学者开始研究PEMF对于种植体骨结合的影响，结果提示，PEMF能有效促进动物体内种植体的骨结合。然而，这些研究大多是动物体内实验的对比研究或有效参数的筛选，而对于PEMF影响种植体骨结合机制的探索并不深入。本课题旨在研究：（1）PEMF如何影响钛种植体表面成骨细胞的粘附、增殖、分化等生物学行为；（2）PEMF对于不同类型种植体表面（Flat、Micro和Nano）上成骨细胞生物学行为的影响是否也不相同；（3）PEMF如何影响种植体表面成骨相关基因和蛋白的表达，并初步探讨PEMF影响成骨细胞生物学行为的信号通路。 第一部分，不同形貌钛试件的制备及PEMF的参数筛选 电磁场刺激对于不同的细胞存在不同的参数窗口，本部分内容对PEMF作用于不同形貌钛试件表面成骨细胞的脉冲强度、频率等参数进行了筛选。首先制备了三种钛材料表面，分别为机械抛光组（Flat）、酸蚀喷砂组（Micro）和阳极氧化组（Nano）。分别置于对照无电磁场刺激（control）和8组不同参数的电磁场刺激下，研究材料表面原代成骨细胞的增殖情况。而后选取了1Hz和15Hz两种频率的脉冲模式和0.1mT，0.5mT，1mT和5mT四组强度参数进行参数组合筛选。结果提示三种材料表面PEMF对于成骨细胞作用的―效应窗口‖存在一定差异，在后续试验中选用对三种材料表面成骨细胞均有明显效应的15Hz、1mT的电磁场参数进行研究。 第二部分，PEMF对不同形貌钛表面成骨细胞粘附增殖分化的影响 本部分采用蛋白吸附、荧光染色、MTT、ALP染色、茜素红染色等实验方法对PEMF影响材料表面成骨细胞的粘附、增殖、分化进行系统性研究。还采用了场发射扫描电镜和激光共聚焦显微镜对材料表面的细胞微形态进行了观察。结果表明PEMF组三种试件表面蛋白粘附数量与相应对照组相比都明显提高。在0.5h时，尽管三组材料在PEMF刺激下细胞早期粘附量与对照组相比都有一定程度的提高，但是并没有统计学差异。在1h和1.5h时，三组材料在PEMF刺激下细胞早期粘附量与对照组相比显著增多（p<0.05）。SEM和CLSM观察结果提示，在PEMF作用下，成骨细胞显示出不同的显微结构和定向分布，但是物理学刺激并没有影响成骨细胞在不同材料表面的伪足形式，其中Nano表面主要表现为板状伪足，而Flat和Nano表面主要表现为丝状伪足。在PEMF作用下，成骨细胞呈现与电磁场方向垂直的分布特征，并且成骨细胞内部可观察到更多的细胞微丝和应力纤维；相反，对照组大多数细胞并没有展示出有序排列或者高度分化的细胞骨架。细胞增殖结果提示在4d和7d时，PEMF刺激组三种表面的细胞数明显高于对照组，其中Nano/PEMF组的与Nano/Control组相比增长最

关键词： 瞬变电磁法   层状介质   分离变量法   波场变换   连续正则化方法  

摘要： 近年来，瞬变电磁测深法（Transient Electromagnetic Method）在实际工程地质勘探中得到广泛的应用。它是一种时间域电磁勘探方法，利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励，在大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，从测量得到的异常信号中分析出地下介质体的导电性能和位置，从而达到解决地质问题的目的。并且随着将地震学中一些已成熟的方法和技术应用到瞬变电磁测深方法中，人们越来越关注从波场的角度，把瞬变电磁场转换为人们所熟悉的波动场以获取更多、更准确的地下地质体信息。然而以往都是将磁性源或电性源看做偶极子，通过比拟得到谐变场的频域表达式，再经频域到时域的变换得到时域解析公式。 本文以时变点电荷假设代替偶极子假设，直接在时间域求解瞬变电磁场解析式。首先总结回顾了全空间有源波动场的时域Green函数解，并运用分离变量方法推导出全空间齐次阻尼波动方程的直接时域解析式。 其次，在全空间直接时域解析式的基础上，采用分离变量法给出均匀半空间齐次阻尼波动方程的时域解析式，通过有源Maxwell方程对应的电磁场矢量方程，推导出上半空间一次有源波动场和反射波（无源二次波动场）时域解析式，进而给出了均匀半空间瞬变电磁场直接时域解析式。 然后，在均匀半空间直接时域解析式的基础上，利用边界条件，推导出线性、均匀水平层状介质中的瞬变电磁场直接时域响应式。 这种在时间域内严格推导瞬变电磁场响应式的方法，避免了传统引入位函数以及偶极子假设所带来的误差，并为从事地质勘探的工作者和瞬变电磁探测理论的改进提供新的理论依据。 最后，采用连续正则化方法求解波场变换反演问题。构造展平泛函，基于已经正则化的变分问题用差分法作有限维逼近。利用偏差原理和Newton三阶迭代收敛格式选出最优的正则化参数，实施数值求解。通过对数值计算结果和已知的波场函数之间的比较，证明了该方法的有效性和可行性。与离散正则化算法相比，这种连续正则化算法具有保结构和收敛速度快等优点。

关键词： 共箱封闭母线   耦合分析   电磁场   热场   流场  

摘要： 共箱封闭母线广泛的应用于电流等级在4000A以下的电气领域。由于其具有结构较为紧凑，组装快捷，防腐性能好，方便维护等特点，故近年来人们逐渐将其应用于5000A以上的电力输送。随着电流的提升，共箱封闭母线的短路电流、电动力、温升均有所提高，这就对共箱母线的设计提出了更高的要求。 对共箱封闭母线而言，其导体的间距较为狭小，导致了涡流对其电流密度的影响十分明显。同时由于共箱封闭母线往往采用矩形导体，其本身的电流密度分布就较为没有规律性，故在共箱封闭母线中导体上的电流分布十分不均匀。而对母线的电动力及温升分析则都是需要了解母线中的电流密度为基础，来进行相关的分析计算。因此直到目前国内外尚无针对共箱封闭母线问题的计算与分析方法。 本文以共箱封闭母线中结构较为复杂的双层导体结构的共箱封闭母线为研究对象。采用有限元方法，借助ANSYS软件对该型母线的电磁场、结构场、热场、流场进行了仿真分析。电磁场分析中可以得到的考虑涡流效应下的导体电流密度。利用间接耦合的方式将电流密度作为载荷加载到结构场、热场、流场的分析模型中，得到了较为接近实际情况的母线物理场。 通过对结构场的结果分析得到了共箱封闭母线的电动力特性，与电动力在导体的上的分布。并利用所得到的电动力进行了共箱封闭母线的动稳定校验。对热、流场的耦合分析得到了母线的温升分布。借助相关的后处理操作，确定了母线中各个部分中对流散热与辐射散热所占的比重，并根据此对母线的优化设计提出了相关的意见。 本文得到的结果对共箱封闭母线的分析有着较为普遍的参考价值，可作为未来共箱封闭母线研究与设计的基础。

关键词： 甚高频放电   相位调制   驻波效应   电磁场不均匀性  

摘要： 本文提出了一种动态多次调制相位的方法，通过三维电磁场模拟仿真发现，这种方法可以有效的抑制驻波效、显著改善电磁场在反应腔内分布的不均匀性。

关键词： 水处理   电磁场   励磁线圈   MOSFET  

摘要： 目前，我国大部分油田油井都进入开采后期，油田采出的水含量越来越多。所以如何将油田水经过有效处理实现有效节约用水，保护环境，成为了一项重要的研究课题。人们利用注水设备把质量符合要求的水灌入油层，保持油层压力，这样可以将更多的原油从地下驱遣至油井，提高油田开发速度和采收率，提高了经济效益。大部分回注用水来源于油井中的采出水，油田开采时间增加，水质就会越来越差，水中杂质越来越多，易于堵塞油层空隙，降低了采油效率水中的杂质、细菌和微生物会使注水设备，注水井腐蚀结垢，严重时甚至会损坏设备，影响生产，产生巨大的经济损失。所以，通常人们会对注入水进行过滤、除垢、除铁、杀菌。脱氧以及加缓蚀剂等进行处理才注入到油层中。 通常化学方法水处理效果好，但是由于使用化学处理会占用场地，需要人工操作，还会对水质和环境造成污染。而使用电磁水处理方法解决这些问题不但可以节省人工、减少场地、节约成本，还不会对环境造成再次污染，所以成为研究机构与科研单位研究的目标。由于电磁场水处理具有成本低，安装方便，易于维护，等特点，所以开始广泛研制与使用。 本文阐述了油田水处理研究的意义，油田水处理技术的研究现状与发展趋势，研究电磁水处理设备的工作原理分析影响设备防垢性能的主要因素。并根据需要设计一种实用性强，防垢效果好的电磁油田水处理设备。通过软件仿真，对传统电路进行优化与改进，改进后的电路MOSFET元件产生的损耗可以减少62％。所以可以使电磁防垢设备在更高频率下稳定运行，提高了设备的适用能力。 通过实验测试了该设备的处理效果与影响设备效果的主要因素，得出当信号频率在3kHz0kHz时候，电磁防垢设备的防垢效果最好，这为电磁水处理技术理论研究提供了实验数据。

关键词： 电磁场(EMF)   ROS   Ca2+   MMP   生物鲁棒性  

摘要： 随着各种电力设备、高压输变电线路的大力建设和日常生活中各种家用电器的普及,极低频电磁场对人的健康影响越来越受到关注。但目前流行病学研究没有给出极低频电磁场影响人健康的确切证据,故电磁场生物效应的机制研究尤其重要。电磁场生物效应作用机制存在两个重要的科学问题： (1)电磁场作为物理因素最初是如何与生物体作用的?即原初作用机制问题； (2)多少强度的电磁场会产生生物效应甚至于健康效应?即限值问题。 因此,若深入探究电磁场生物效应的机制,研究工作必须做到动态、实时、准确高效地观察与分析,以及从系统论的角度,评价电磁场对生物体的影响。 在本实验室先前的工作基础之上,本文探究大鼠海马神经细胞对不同强度50Hz极低频电磁场短时间刺激的鲁棒性。我们分析了电磁场作用下活性氧自由基(ROS),钙离子(Ca2+)和线粒体膜电位(MMP)三个生物学指标的动态变化。通过电磁场作用下这三个指标的动态变化的鲁棒性,研究电磁场对细胞的影响。本文主要包括以下两部分工作： 第一部分是极低频电磁场暴露实时检测技术的开发。建立了两套以阈值分割为主要技术的分析方法：第一套用于从ROS和Ca2+荧光照片中提取荧光图线,反映细胞内的ROS和Ca2+浓度动态变化；第二套从MMP图像中,得到目标线粒体红绿色分量的荧光比值变化图线,用以反映线粒体膜电位的动态变化状况。通过该部分建立的方法,从图像中提取出了动态图线,反映细胞状态的变化。 第二部分是极低频电磁场对生物效应影响的分析。根据生物鲁棒性理论,分析第一部分工作中提取出的图线。利用非线性系统状态图的分析方法,确定出每一个分析目标的生理指标变化状况。 本文得出如下结论： (1)电磁场瞬时作用海马神经元会对细胞内ROS鲁棒性产生影响,这种影响存在较明显的剂量效应关系。 (2)电磁场瞬时作用海马神经元影响细胞内Ca2+鲁棒性,这种影响可能存在阈值效应。 (3)本研究未观察到电磁场瞬时作用下,海马神经元的线粒体膜电位鲁棒性的显著改变。

关键词： 无绝缘轨道电路   TCR天线   传输线   有限元   电磁场   建模   仿真  

摘要： 无绝缘轨道电路是我国铁路列车运行控制系统的关键设备之一,其除了用于列车定位与完整性检查外,还通过电磁感应方式将钢轨中包含有列车控制信息的无绝缘轨道电路信号电流转换为车载轨道电路读取器(Track Circuit Reader, TCR)的感应电压,以实现地-车间列车运行控制信息的连续传输。可见,TCR天线中的感应电压的生成质量在很大程度上影响列车的安全运行,而随着我国高速铁路的不断发展,需要从理论层面对这一传输过程进行深入研究,通过数学建模构建相应的仿真平台,为进一步研究该过程对列车高速运行的适应性,及其相应的过程优化和性能优化等热点问题提供相应的理论支持和验证手段。论文的研究结构如下： 1.针对无绝缘轨道电路信号电流的传输过程,为了弥补传统四端口网络模型忽略钢轨电流对地漏泄的不足,本文提出了基于传输线六端口网络的无绝缘轨道电路建模仿真方法。内容包括：基于六端口网络建立无绝缘轨道电路各个组成单元的传输特性等效模型,建立无绝缘轨道电路的短路电流分布模型,建立无绝缘轨道电路在分路状态下钢轨不同位置的电流分布模型。 2.针对无绝缘轨道电路和TCR天线间列车控制信息动态传输过程,即电磁感应过程,本文采用有限元电磁场理论进行建模仿真研究。内容包括：基于有限元电磁场仿真软件Ansoft Maxwell建立钢轨、补偿电容、TCR天线、钢筋网络、道床、列车轮对等有限元模型,对模型设置相应的材料属性、网格划分、边界条件和施加相应的无绝缘轨道电路信号激励源,对模型设置相应的列车运动仿真条件,实现无绝缘轨道电路和TCR天线间在不同速度下的动态电磁感应过程的仿真。通过实验室应用数据验证表明,本文基于有限元电磁场理论建立的无绝缘轨道电路和TCR天线间电磁感应过程模型符合实际情况。 3.针对无绝缘轨道电路有限元模型过于庞大而导致仿真效率较低问题,本文提出一种基于传输线理论和有限元电磁场理论的无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的联合建模仿真方法。该联合建模仿真方法首先通过有限元方法计算轨道电路和TCR天线间的互感系数,以确定轨道电路对TCR天线的有效作用范围,然后在有效作用范围内,利用有限元对无绝缘轨道电路和TCR天线间的电磁感应过程进行建模,而在有效作用范围外,由传输线对无绝缘轨道电路信号的传输过程进行建模,将有效作用范围分界点处的轨道电路信号电流作为有限元模型的激励源输出信号,实现对无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的仿真。通过现场实际应用数据验证表明,本文联合建模仿真方法具有建模准确、仿真精度和仿真效率较高等优点。 4.针对目前缺少无绝缘轨道电路电流和TCR天线感应电压在振幅和相位方面的关系表达式等问题,本文将从理论层面对这一问题进行研究。内容包括：基于电磁场理论建立TCR天线感应电压的理论模型,研究轨道电路不同位置电流对TCR天线感应电压的影响分布,通过理论计算获得无绝缘轨道电路电流和TCR天线感应电压在振幅特征和相位特征上的表达式,研究并通过实验验证了本文提出结论的正确性。这些研究将为进一步确定无绝缘轨道电路和TCR天线间信息动态传输过程的影响参数以及定量分析各参数的影响规律,为进一步优化设计地-车传输过程提供理论依据。

关键词： 磁性珩磨技术   磁性磨具   电磁场   温度场   内孔氧化皮   实验验证  

摘要： 高科技产业(如医疗设备制造业、航空航天工业和光学等等)的迅速发展对工件表面加工质量提出了越来越高的要求,不锈钢管表面加工质量也面临同样的挑战。不锈钢管因具有高耐热性、高耐腐蚀性、高强度、非磁性、好韧性而广泛应用于很多重要领域(如精密仪器领域、环保产业和运输机械等),但不锈钢属于易钝化金属材料,所以在成型过程中它的表面极易产生结构致密的与基体金属附着力强的氧化皮,与普通钢相比氧化皮的清除难度大幅度增强,尤其是一些特殊结构的(如细长型、特大型或异型等)不锈钢管在加工过程中难以运动使其内表面的加工更加困难甚至是无法加工。 常用的清理不锈钢管氧化皮的方法有酸洗法、喷丸和电化学法等。但酸洗法和电化学法形成的废酸、冲洗水、有毒气体及重金属离子不仅严重地污染了人类的生存环境而且能对工作员工身体造成严重危害；喷丸处理过程中容易使被加工工件产生表面缺陷且很难保证薄板类零件维持原来的形态,喷丸处理后的工件外表面也比较粗糙。所以人们在精密加工范畴中依靠多种形式的能量且采用各种途径来寻找新的工艺方法。磁性珩磨是磁场应用于工业领域的一项新技术,它是利用电磁作用驱动磁性磨具在工件内腔运动,可有效地磨削因结构特殊性而难以在加工过程中运动的不锈钢管内壁氧化皮。目前国内外尚未有人提出磁性珩磨加工这一概念,太原理工大学的轧刚教授和姚新改副教授为能有效地解决太原冶金机械厂因结构本身特殊性而很难在加工中运动的细长不锈钢管内表面加工难的实际问题于2008年首次提出磁性珩磨加工概念。 太原理工大学2009届研究生刘威在轧刚老师和姚新改老师的指导下,开发出了一种具有高导磁性和强磨削力的转子,其磨削效果显著。但加工实验中发现,它不但笨重且运行过程中出现严重的振动问题,同时,磁性珩磨系统生热速度太快而热量消退太慢,为使得定子式磁场发生器铜线绕组绝缘结构在规定的极限温度下工作,工件一次持续加工时间须在10min以内,这些问题阻碍了磁性珩磨技术在实际生产中的推广应用。为此,本文在在前期研究的基础上设计了一种即具备较大的导磁性和足够的磨削能力又重量轻振动小的磁性磨具,同时为磁性珩磨系统增设了冷却循环系统；磁性珩磨系统的电磁场和温度场是影响加工效果的关键因素,本文借助Ansoft Maxwell有限元分析软件参数化分析及优化设计了磁性珩磨系统,在ANSYS Workbench有限元分析软件中导入Ansoft Maxwell电磁场分析文件并使其与瞬态温度场分析模块的设置相关联,从而实现电磁场和温度场的直接耦合,更精确仿真分析了磁性珩磨系统温度场的实际变化情况。进行不锈钢管内表面磁性珩磨加工试验,验证电磁场和温度场模拟结论,实验结果表明： 1.对比不同材料(微晶刚玉,锆刚玉和白刚玉)在同转速、同进给、同时间下湿磨不锈钢管内壁所得表面粗糙度值可知：微晶刚玉加工效果最好。 2.对比微晶刚玉在不同转速、同进给、同时间下湿磨不锈钢管内壁所得表面粗糙度值可知：在一定范围内,磁性磨具转速的提高可降低工件内表面粗糙度值。 3.加入冷却循环系统后,磁性珩磨系统发热问题得到改善,工件一次持续加工时间由10min提高到60min以内。 4.湿磨加工效果已经初步达到本项目预期的目标,即被加工工件内表面的粗糙度值应降低两级以上。 磁性珩磨加工实验为磁性珩磨系统后续的研究和改进提供了有力的实验数据和技术依据。