基于离散结构模拟的微丝本构律建模——一种应用于静态杆模型的逆方法

扭转和弯曲变形对于DNA分子等微丝的生物功能至关重要。尽管连续介质杆模型已成为描述这些变形非线性动力学的有效工具，但在基于连续介质力学的微丝描述中，一个主要障碍是本构律的精确建模，而本构律源于其原子结构和键刚度。由于从原子结构第一性原理推导本构律不切实际，且因尺度微小而无法直接进行实验测量，因此一个自然的替代方案是从离散结构模拟（如分子动力学模拟）中估计本构律。本文提出了一种利用杆理论和离散结构模拟生成数据来估计本构律的两步逆方法。我们通过一个具有人工简化离散结构的细丝来演示该方法。我们使用多体动力学求解器模拟其在规定载荷下的变形。利用多体动力学求解器生成的数据，我们首先估计细丝的曲率，然后将其用于两步方法中，以估计恢复力矩与曲率之间的有效本构律关系。最后，我们还展示了如何在独立载荷条件下测试所估计的本构律。