细胞是生物体的功能单位,它的力学行为会影响到生命体的生理活动。细胞骨架在很大程度上决定了细胞的力学性能。微管是细胞骨架的重要组成之一,它可以维持细胞形态,参与细胞器的运输以及细胞的有丝分裂。微管在生物体的许多生理活动中发挥着重要的作用。因此,研究微管的力学性能将促进人们对细胞生理过程的深入了解。目前,研究微管力学性能的数值模拟方法主要有分子动力学模拟和分子结构力学模型。但分子动力学模拟会存在空间尺度和时间尺度的限制,分子结构力学模型无法用于研究微管的大变形。因此本文建立了微管的非线性分子结构力学模型,用于研究完整微管以及含缺陷微管的力学行为。构成微管的结构单元是微管蛋白,微管的力学性能取决于微管蛋白以及微管蛋白间的相互作用。本文利用受控分子动力学模拟方法研究了单个微管蛋白的力学特性,并得到了单个微管蛋白的弹性系数。同时,利用分子动力学模拟研究了微管中四种不同的微管蛋白相互作用结构,得到了四种不同结构的相互作用力与蛋白间距之间的关系。基于微管蛋白的分子动力学模拟结果,利用有限元软件,采用弹性非线性拉伸弹簧以及线弹性扭转弹簧来模拟微管蛋白间的相互作用,建立微管的非线性分子结构力学模型。通过对完整微管进行单轴拉伸模拟,计算了微管的弹性模量,验证了模型的可靠性,并分析了完整微管的轴向拉伸断裂过程。基于微管的非线性分子结构力学模型,对缺失不同数量微管蛋白的微管进行单轴拉伸模拟,得到相应的应力应变关系图,研究含缺陷微管的力学行为,即微管蛋白缺失对微管弹性模量以及极限应变的影响。研究表明,微管蛋白缺失率增加会导致微管的弹性模量以及极限应变线性递减。