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BEBC研究人员揭示界面效应对充液毛细管振动固有频率的影响规律

2020-04-06 21:54:53      点击:

充液毛细管是自然界(如植物表皮毛细胞、听觉毛细胞等)和工程领域(如MEMS微通道谐振器)中常见的一种功能结构,这些结构经常会通过振动实现其功能。随着尺寸的减小,固-液界面张力对充液毛细管振动特性的影响变得越发显著,然而固-液界面张力对于固有频率的影响规律仍不清楚。

为了解决这个问题,西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所(BEBC)和南京航空航天大学的研究者合作建立了基于“弦-梁结构”的充液毛细管振动理论模型(图1),通过求解特征方程分析了固-液界面张力对悬臂充液毛细管振动特性的影响规律,并通过细玻璃毛细管实验对该理论模型进行了验证。研究发现:界面张力会降低毛细管低阶振动模态的固有频率;毛细弹性数、长细比、内外径之比增大会导致高阶的模态转换产生,从而引起固有频率的非单调变化;对于低阶模态,毛细弹性数、长细比、内外径之比增大会诱导模态消失或产生。该理论将为高精度充液毛细管型传感器设计提供指导。


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图1. 充液毛细管“弦-梁结构”振动模型(a)及固液界面

张力改变引起的固有频率漂移(b)


近日,该成果以“Vibration of a liquid-filled capillary tube”为题的论文发表在生物材料力学领域著名期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials上。该论文是由南京航空航天大学刘少宝博士(第一作者)和BEBC本科生吴宇飞(共同一作)在徐峰教授和卢天健教授(均为通讯作者)的共同指导下完成,论文的其他作者包括南航杨帆博士,BEBC博士生李墨筱、BEBC本科生寇兴和雷昌盛。该工作得到了国家自然科学基金等的支持。

西安交通大学仿生工程与力学研究所(BEBC)基于“临床问题(BED)-实验室研究(BENCH)-临床应用(BED)”的研究策略,将力学、化学、物理学与工程学、生物医学等领域交叉融合,系统开展细胞微环境及检测技术的基础和应用研究。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103745