由刚性结构制成的传统机器人存在灵活性差、环境适应能力低、人机交互不友好等缺点，而近些年受自然界生物启发研制的各类软体机器人则可克服这些缺点，但由于具有无限自由度，软体机器人的优化设计与在线控制尚面临诸多瓶颈．通过力学建模与数值仿真，则能够更好地理解其形变过程，进而指导软体机器人的设计与制造．本文聚焦最新的软体机器人动力学仿真研究，关注结构建模方法和交互仿真方法在理论计算中的应用．在结构建模方法中，从三维实体单元模型出发，介绍有限元方法的基本原理及其在静态模型、可微框架和可微投影动力学等策略中的应用；在板壳模型方面，探讨经典的基尔霍夫-勒夫板壳模型和离散壳模型．接着在结构建模中聚焦简化模型，包括基于一维降阶模型的细长结构仿真，其中涵盖了分段常曲率模型、Cosserat杆模型和绝对节点坐标方法等基本模型理论．通过典型工作的案例，探讨了一维简化模型的优势与缺点，并介绍了质量弹簧阻尼经典模型的操作方法以及最新的相关工作．在交互仿真技术中，围绕动力学仿真，涵盖外部环境交互和外场驱动交互两个方面，探讨了软体机器人动力学仿真中的挑战与应对策略．此项工作旨在为机器人开发者提供全新的动力学仿真思路，实现更逼真的仿真效果，进而为软体机器人的优化设计及在线控制提供理论支撑．

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱结构，其横截面在扑翼飞行中常呈现弯曲变形．本文设计了具有弯度的褶皱翼型，并综合考虑弯度大小及分布的影响；基于Fluent软件，采用重叠网格方法对其扑翼前飞的气动性能进行分析．首先，与平板褶皱翼相比，正弯度褶皱翼可以显著提高升力，在对弯曲大小和分布的合理设计下，如m=4 %, p=0.2时，可实现在扑翼中同时提高升力和推力．其次，弯曲褶皱翼型的升力随着扭转角的增加而增加，但是较大扭转角会降低推力，此时可通过后移最大弯曲位置改善推力．因此，在特定条件下，合适的弯度大小及分布可以较大幅度地改善褶皱翼型的气动力性能．

针对研究皮瓣切口闭合机制的有限元法存在耗时长、专业性强等不足，本文提出了一种基于神经网络和有限元模拟的供区闭合应力与术后皮肤突起高度的快速预测方法．首先，构建考虑腿部供区组织纵剖面结构的超弹性有限元模型，对不同几何尺寸、不同组织厚度的切口闭合进行力学仿真分析，并建立神经网络数据集；搭建切口闭合模拟试验平台，采用数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)验证有限元模型的可靠性；接着，以闭合模拟结果为样本的数据集作为输入，对BP (Back Propagation)、RBF (Radial Basis Function)、EBF(Elliptic Basis Function)三种模型进行训练优选，构建切口闭合预测模型；最后，采用预测模型扩充样本数据，结合Sobol灵敏度分析法探求各输入参数对切口闭合的影响．结果表明，EBF神经网络效果最佳，可有效预测切口闭合结果，切口短轴、长轴长度对闭合结果影响最大，皮肤厚度次之，脂肪厚度影响最低．同时，本文分析了各参数变化对闭合效果的影响，为腿部供区缝合手术提供参考依据．

为探究新型透皮给药方式中不同形状微管对雾化的影响，本文以收缩管和拉瓦尔管为对象展开研究．首先，我们使用相位多普勒粒子分析仪(Phase Doppler Particle Analyzer, PDPA)对经两类微管雾化后的液滴进行速度和粒径分布的测量．然后，为了解管内流动情况，我们利用动态压强传感器对管内气体压强进行了测量，并利用纹影法对管内流动情况进行观察．最后，我们利用高速液滴对皮肤模型进行了喷射试验，其中使用亚甲基蓝和伊文思蓝作为染色试剂，新鲜猪耳作为喷射对象．PDPA实验表明，液滴经拉瓦尔管的雾化比经收缩管的雾化更充分．压强测量结果表明拉瓦尔管内存在激波，进而证明了管内发生过超声速．纹影实验更直观地表明在本研究关注的拉瓦尔管内，气体流动在扩张段形成的不是正激波，而是两道交错的斜激波．皮肤模型喷射实验结果表明雾化后高速液滴穿透了角质层，展示了微喷管在医美行业透皮给药中有潜在的应用价值．该工作为新颖透皮给药方式的进一步研究奠定了基础．

将混凝土模拟为由砂浆和骨料构成的二相复合材料，考虑混凝土表面的粗糙度，建立纤维增强树脂(Fiber Reinforced Polymer, FRP)-混凝土单剪试验细观有限元模型．为描述FRP-混凝土单剪试验过程中的损伤失效过程，分别采用塑性损伤模型和线弹性模型模拟混凝土两相材料和FRP的力学行为．为揭示混凝土表面粗糙度对FRP-混凝土单剪试验的影响，生成均方根高度分别为0.4 mm和0.8 mm的二维随机粗糙表面．研究结果表明，建立的FRP-混凝土细观有限元模型能够有效模拟FRP-混凝土单剪试验中的损伤失效过程，得到的荷载位移曲线和破坏模式均与试验结果有良好的一致性；随着混凝土表面粗糙度的增加，环氧树脂与混凝土上表面机械咬合力增加，FRP-混凝土试样承载力也随之提升．

压电复合材料因其具有高机电耦合系数和压电常数及低密度和高声阻抗，被广泛应用于水声工程、医学和超声检测的领域．人们通过预测压电复合材料有效模量界限可以更好地优化压电复合材料的结构．目前，对于压电复合材料有效模量上下界的研究普遍集中于包含椭球形夹杂的压电复合材料，而对于非椭球形夹杂的压电复合材料研究甚少．本文在传统的Hashin-Shtrikman变分上下界方法的基础上，利用体现夹杂物分布特性及形状的微结构参数，求解横观各向同性压电复合材料有效模量的上下界．该方法适用于任意形状夹杂．当椭球域与椭球形夹杂形状相同时，该方法与传统的压电复合材料Hashi-Shtrikman上下界方法一致．当椭球域与椭球形夹杂物形状不同且夹杂含量较低时，本方法所得到的部分有效模量的上下界更紧凑．此外，本文计算了横观各向同性的压电基体含正方体夹杂的复合材料有效模量上下界，结果表明材料整体表现为横观各向同性且与椭球形夹杂时的有效模量上下界差异较小．本文建立了考虑夹杂物分布和夹杂物形状的压电复合材料上下界的计算方法，对压电复合材料的研究有一定的参考价值．

对于两相渗流顺序求解格式中的饱和度计算，采用排序的方法可以将离散的全局非线性系统分解为一系列局部非线性系统来加速非线性求解过程．运用图论中的广度优先算法(Breadth First Algorithm, BFS)和深度优先搜索(Depth First Search, DFS)来实现饱和度的并行计算．在两相流动方向一致时，基于BFS，使得同时参与计算的网格划分为一组，组与组之间满足拓扑排序的要求．在考虑重力和毛管力引起的两相流动方向不一致情况下，根据势能大小建立关于网格的有向有环图(Directed Cyclic Graph, DCG)，利用强连通分量搜索的Tarjan算法找出耦合的网格，将耦合的网格视为一个网格并重新建图，从而得到有向无环图(Directed Acyclic Graph, DAG)．最终实现饱和度排序求解的并行化．

为研究外来物对航空发动机风扇叶片造成的损伤特征差异，以6 mm、10 mm、14 mm尺寸的304钢球作为冲击物，某型号退役航空发动机叶片作为靶板，通过轻气炮系统开展不同冲击位置处的外物损伤试验，并基于率相关本构模型构建了有限元模型，将基于仿真模型冲击响应后的FOD (Foreign Object Damage)损伤区域与试验损伤区域进行对比，两者在尺寸以及形状等方面取得了较高的一致性．之后利用构建的模型研究了冲击位置、角度以及小球尺寸对冲击响应过程中速度变化趋势的影响．结果表明，叶片不同位置处的抗冲击能力有很大区别，且小球尺寸对损伤区域具有决定性影响；此外还发现损伤模式不同时，小球剩余速度的变化趋势也不相同．

泥石流是山区主要的地质灾害之一，对山区桥梁破坏严重．在流动过程中，泥石流受到含水量的影响较大，其本构模型会发生变化．本文对泥石流的一种特殊形式——泥流的质量含水量进行分析，将含水量引入泥浆的Herschel-Bulkley模型中，提出质量含水量及剪切速率同时变化下的泥流材料本构模型，并与成都黏土泥浆流变实验对比，验证该模型的正确性．而后基于两相流体的Navier-Stokes方程，将该本构模型应用于三维泥流-桥墩立柱冲击的流固耦合分析中，通过与相关规范及文献冲击压力经验公式计算结果对比，证实了模型的实用性．

随着我国交通系统的发展及汽车车速的日益提升，坐落于道路两旁的框架建筑承受的车辆碰撞风险也与日俱增．超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)由于其超高的材料断裂能以及抗拉能力逐渐被应用于框架结构中以提高其使用性能．UHPC框架结构同样承受较高的车辆撞击风险．本文建立了三维动力非线性的车辆-UHPC三层框架结构碰撞模型并采用Ansys/LS-DYNA进行求解．采用已发表的落锤撞击普通混凝土(Normal Concrete, NC)与超高性能混凝土(UHPC)梁试验对材料参数与接触算法的正确性进行了验证．基于三维动力非线性碰撞模型，从结构损伤、碰撞力特性及结构耗能机理三方面对NC及UHPC框架结构进行了全面对比．主要结论如下：(1) UHPC框架结构的抗车辆冲击性能远高于NC框架结构．UHPC框架结构的损伤仅存在于被撞柱，其他部位混凝土的使用性能几乎不受影响．(2) 高车速条件下(80~120 km/h)，NC柱的损伤分布为剧烈的冲切损伤并伴有明显的塑性变形，框架节点出现明显的受拉及受剪损伤；UHPC柱的背面始终不出现受拉区域，最终发展成贯通框架柱截面的冲剪破坏．(3) NC柱的混凝土内能均比UHPC柱的混凝土内能高，导致NC柱的损伤程度比UHPC柱严重．(4) 当车辆保险杠撞击框架柱时，碰撞力产生第一个峰值；当车辆引擎与框架柱撞击时，碰撞力产生第二个峰值．引擎撞击产生的碰撞力峰值均远高于保险杠撞击．UHPC柱的碰撞力峰值平均比NC柱高22.6 %，二者碰撞力峰值最大差异可达32.1 %．本文研究结果有助于促进UHPC框架结构的抗冲击合理化设计，并保障其安全健康运营．

本文提出了组合弹性无缘轮模型，通过加入周期振荡的间接控制，实现了组合弹性无缘轮的半被动行走．通过观察组合弹性无缘轮半被动行走的步态，分析了混沌和同步化的非线性行为．首先，建立组合弹性无缘轮半被动行走的动力学模型，使其能够实现稳定的周期行走；其次，通过对组合弹性无缘轮半被动行走的典型步态分析，表明极限环的稳定性对初始条件敏感；最后，通过观察组合弹性无缘轮半被动行走的步态，分析振荡频率与系统行走频率关系，以及振荡频率与系统行走频率的相位差与行走步数之间是否存在同步化和混沌等非线性行为．仿真结果表明，对于振荡频率与系统行走频率之间的关系，较轻的摆动质量和较小的摆动振幅呈现出同步化现象，较重的摆动质量和较大的摆动振幅呈现出混沌现象；对于振荡频率与系统行走频率的相位差与行走步数的关系，较轻的摆动质量和较小的摆动振幅呈现出混沌现象．

复合材料梁具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐高温以及抗疲劳等诸多优良性能，在工程中有广泛的应用，如风力机叶片、直升机螺旋桨等．基于湿热环境下旋转复合材料薄壁梁振动方程，研究了梁的扭转运动．采用Rayleigh-Ritz法求解振动特性，分析了温度、湿度、转速、安装角、铺层角等因素对固有频率和模态振型的影响．采用有限元方法验证了计算结果的精确性．研究表明：前2阶频率随着温度和湿度的升高而降低；与湿度相比，温度对频率的影响更为显著；T = 325~425 K且铺层角为15°~30°时，温度对频率的影响略小；铺层角在0°或90°附近时，湿度对频率的影响不大；频率随转速增大而增大，随安装角增大而降低；铺层角对频率有较大影响；温度、湿度、转速、铺层角和安装角对前2阶模态振型影响很小．

针对岩石强度的演化机理是提高强度准则计算精度与适用性的前提，基于能量转化是物质物理过程的本质属性，弹性应变能是材料破坏的内在机理，通过试验与理论研究，探究了围压、中间主应力及泊松比对岩石强度演化规律的影响．结果表明：岩石破坏与应力状态及岩石变形特性有关，忽略泊松比的影响是中间主应力效应提出的理论依据，并指出围压效应与中间主应力效应忽略变形影响，既与试验结果不一致，又是据此建立的强度理论精度较差的内在原因．岩石强度的演化是围压、中间主应力及泊松比共同作用的结果，并据此研究了静水应力状态下材料破坏特性、围压区间性及三轴拉伸强度恒大于三轴压缩强度条件．理论及试验表明，体现了围压、中间主应力及泊松比影响的强度理论具有较高计算精度与适用性．研究成果对于精准地描述岩石破坏特性，建立普遍适用的强度理论具有重要意义．

JH2模型广泛应用于模拟脆性材料的动态力学行为，但是其强度准则和损伤定义存在一定不足，因此本文针对爆炸冲击荷载作用下的岩石材料提出了一个改进JH2模型．首先为强度模型增加了初始屈服面和非线性损伤尺度因子，对拉伸和压缩损伤分别进行拉压不对称处理，并将体积塑性应变引入到压缩损伤中．将该模型嵌入LS-DYNA材料子程序后，开展一系列单元测试、分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)动态劈裂试验和岩石爆破试验的数值模拟．数值模拟结果表明：改进后的JH2模型克服了原始JH2模型在损伤演化的拉压不对称特性、非线性应变硬化行为、洛德角效应和体积行为等方面的不足，证明了本文所提改进JH2模型的预测精度和应用潜力．

迷宫式侧堰具有较大的泄流能力，广泛应用于流量控制、农田灌溉和排水系统．为研究三角迷宫式侧堰的复杂水力特性、泄流规律及泄流影响因素，本研究首先基于FLOW-3D软件和RNG k-ε湍流模型，对侧堰的15种工况进行数值模拟计算，获得侧堰水面流态、流速分布等水力特性．同时，通过白金汉π定理推出影响迷宫式侧堰流量系数的无量纲参数，探究流量系数Cd与无量纲参数之间的变化规律，利用人工智能遗传规划(Genetic Programming, GP)算法拟合出流量系数计算公式．结果表明：主渠道内水流为缓流，堰顶角θ较小时，二次流使得水面流态变化，流速在靠近侧堰时发生急剧变化，堰内产生回流．随着θ的增大，堰顶上方水舌从对称分布变为偏右侧下泄，堰内回流现象消失；Cd随上游弗劳德数Fr和溢流前沿与堰顶水深之比l/h1的增加而减小，随堰高与堰上水头之比p/h1的增加而增加，θ越大，Cd变化趋势越大；流量系数预测公式在测试阶段的决定系数R2 = 0.913，均方根误差RMSE = 0.045，流量系数预测值与试验值的散点图拟合效果良好，数据点分布均匀且关于拟合线对称，表明GP模型得出的结果较为准确，满足灌区量水精度要求．该研究成果可为迷宫式侧堰在实际工程中的应用提供理论依据和技术支撑．

本研究建立了考虑间隙的复合材料双搭接结构的半解析模型，描述了几何偏差对螺栓载荷和应力分布的影响．首先，从典型复合螺栓接头中提取螺栓/孔局部结构作为代表单元，建立考虑随机几何偏差与接触状态的螺栓/孔对的局部刚度模型．基于Reddy高阶剪切板理论，建立复合材料层合板有限元分析模型．将螺栓/孔对的局部刚度模型与层合板全局刚度模型相结合，形成了综合考虑螺栓/孔间隙和孔拉伸变形的多螺栓复合材料接头装配力学分析模型．随机螺栓/孔组合间隙分析结果表明，合理的螺栓间隙设置可以得到更均匀的钉载分布，为多螺栓接头的排孔设计提供理论指导．

本文研究了在偶极梯度弹性固体中，在外加磁场调控作用下，弹性波在界面上的反射问题．当入射波的波长与材料的微结构特征长度近似或者弹性波的频率较高时，材料的微结构效应显著增加．本文首先应用偶极应变梯度理论和麦克斯韦电磁理论推导出弹性波传播的色散方程，然后根据界面条件分别计算出P波入射和SV波入射时各种反射波与入射波的振幅比．最后，根据数值计算结果，讨论了外加磁场以及入射波长对反射波传播的影响．研究结果发现，在偶极梯度弹性固体中，微结构效应可以导致新的波动模式产生和弹性波的色散特征的出现，而外加磁场只是通过洛伦兹力的作用对弹性波传播的速度产生影响，但不会产生新的波动模式和影响弹性波的色散性质．

为提高结构损伤识别精度，采用跨模型模态应变能变化(Cross-model Modal Strain Energy Changes, CMSEC)代替传统的模态应变能变化(Modal Strain Energy Changes, MSEC)建立先定位后定量的结构损伤识别两阶段法．与传统模态应变能(Modal Strain Energy, MSE)计算时仅利用结构损伤后的振型不同，跨模型模态应变能(CMSE)的计算同时利用结构损伤前后的振型．先利用CMSEC构建CMSECI (Cross-model Modal Strain Energy Index)损伤指标来确定损伤位置，筛选出疑似损伤构件后，再利用CMSEC建立定量识别损伤程度的灵敏度方程．采用基于奇异值截断的迭代法求解该方程，以避免迭代过程中可能出现的病态方程问题．根据公式构成可以定性判断CMSEC比MSEC更难被噪声干扰．某简支梁算例表明，本文方法在损伤定位和损伤定量两个阶段均比传统方法具有更高的识别精度．为了深入考察本文方法的优越性，采用蒙特卡洛法从宏观的相对误差上界和具体的相对误差分布这两个视角解释了本文方法优于传统方法的原因．

含有轴向裂纹的内压管，在热冲击作用下产生的热应力会使应力场发生变化，塑性极限内压也将发生变化．对热冲击下的外壁含有缺陷的超高压聚乙烯反应管的瞬态温度场和应力场进行有限元模拟．利用扩展有限元法，得到裂纹扩展过程中裂纹尖端的应力场云图．将单独内压作用时得到的塑性破坏压力值与PCORRC(Problem Context Opinion Reason Refutation Conclusion)准则的预测值进行一致性对比，验证有限元模型和采用的损伤失效准则的有效性．在热-力耦合场中，通过对裂纹前沿各位置的单元的瞬态应力以及反应管极限内压的分析，显示出瞬态温度效应对结构的承载力影响较大．热冲击下管子内壁的自增强作用使得具有外裂纹的反应管更容易产生塑性破坏．

为研究边缘叠合板U型钢筋和叠合区域预制底板钢筋弯折高度的影响，进行了1个现浇板和4个叠合板受弯性能试验，对比分析了试验板的裂缝发展、破坏模式、挠度、承载力以及钢筋应变情况．结果表明：配置U型钢筋的叠合板承载能力和变形能力与现浇板接近，U型钢筋的销栓作用限制了裂缝沿叠合斜面的发展；预制底板钢筋采用90°弯折措施的叠合板在叠合区域根部开裂以后，随着荷载的加大，叠合板的裂缝宽度沿叠合斜面发展很快，不利位置出现在板的叠合斜面处，导致叠合板承载能力和刚度降低；预制底板90°弯折钢筋叠合板在破坏时，叠合斜面根部位置钢筋达到了屈服强度，表明底板钢筋弯折构造措施可以让钢筋充分发挥性能．最后，提出了采用预制底板90°弯折钢筋边缘叠合板的设计建议．

隧道下穿既有管线施工容易造成管线变形及破坏，为了预测隧道下穿施工时的管线变形量，及时采取措施控制管线变形，亟需提出一种管线变形预测方法．以上海某大型断面越江隧道为工程背景，建立盾构下穿既有管线数值模型，定量研究了隧道下穿过程中，隧道直径、管线直径、管隧净距以及管线埋深四个因素对管线变形的影响，并得到了隧道施工对管线沉降影响的多因素耦合公式．隧道下穿完成后，管线及地表沉降均呈现出中间大、两边小的规律．管线最大沉降随着隧道直径、既有管线直径的增大线性增大，随着管隧净距的增大线性减小；管线直径在小于0.5 m时对管线变形的影响较小．提出了描述管线沉降与三个因素之间定量关系的拟合公式，用于隧道下穿管线的估算，对类似工程具有直观参考作用．

石墨烯折纸超材料具有负泊松比特性，可以有效提升结构的抗屈曲性能，在航空航天等工程领域中有着广泛的应用潜力．本文以石墨烯折纸超材料梁为研究对象，基于虚功原理，根据欧拉梁理论和冯卡门非线性应变位移关系，建立了梁在面内载荷作用下发生屈曲行为的非线性控制方程；采用数值渐进方法计算出了石墨烯折纸超材料梁发生屈曲行为的临界载荷，通过与已发表文献结果进行对比，验证了本文理论和算法的正确性．最后分析了石墨烯折纸的分布、含量、折叠度和边界条件对超材料梁结构非线性屈曲行为的影响，结果表明两端固支边界下结构的屈曲临界载荷最大，在结构表层分布更多的石墨烯、石墨烯含量的增大都会使屈曲临界载荷增大，而折叠度的增大会导致临界载荷减小．

覆冰输电线路舞动严重威胁着电力系统运行的安全性和稳定性．但是由于覆冰形状和风的随机性，对于实际覆冰导线舞动的数学模型建立目前没有实用的方法．本文基于数据驱动稀疏辨识算法，提出随机风荷载作用下覆冰四分裂导线舞动模型的辨识方法．首先基于Hamilton原理推导覆冰四分裂导线的动力学偏微分方程，再采用Galerkin法得到覆冰四分裂导线的动力学微分方程，并引入由Davenport谱生成、子段线性插值处理的随机风气动模型，继而获得随风速时变的覆冰四分裂导线舞动方程模型．最后结合不同的数据处理方法提出子段线性插值积分辨识法和子段线性插值微分辨识法，并应用到覆冰四分裂导线舞动均值模型辨识．通过一百组平均风速为10~30 m/s的计算机实验，探究并比较两种方法的辨识精度、辨识效率以及辨识稳定性．结果发现：随平均风速的变化，除位移三次项外，两种方法对覆冰四分裂导线舞动均值模型均有良好的辨识精度，且从响应的相对误差、辨识精度与稳定性以及辨识效率分析，微分辨识法更加优于积分辨识法，尤其对于速度一次项和三次项系数．本文研究成果可为输电线舞动模型的建立提供一定参考．

为改善客土喷播后边坡浅层土体强度较低的问题，对棕榈纤维加筋土开展不固结不排水(Unconsolidated Undrained, UU)三轴试验，研究棕榈纤维加筋土在纤维掺量为0.35 %、0.55 %、0.75 %、0.95 %，纤维长度为5 mm、10 mm、20 mm、30 mm下不同加筋条件组合对土体抗剪强度特性的影响及其加筋机理．试验结果表明：在粉质黏土中掺入棕榈纤维可以显著提高土体的强度和抗变形能力．极限主应力差在纤维掺量为0.75 %、纤维长度为20 mm时达到峰值，较素土提高172.9 %；纤维掺量和长度等因素对黏聚力提升显著，较素土提升149.6 %．对内摩擦角影响较小，在3°以内变化；对棕榈纤维进行SEM扫描电镜下观察后发现，棕榈纤维表面的沟槽可以增大纤维与土颗粒间的界面摩擦力和咬合作用，从而可以改善土体抗剪强度指标．