作为生命的核心遗传物质，脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid, DNA)拥有独特的物理与化学特性，展现出丰富的力学性能，在基因表达调控、病毒侵染机制、疾病诊断和智能纳米器件中起到了关键性作用．深入理解DNA类材料从分子尺度到宏观器件尺度的力学性能与力学行为，为揭示生命活动物理本质、发展生物医学检测技术、实现动态纳米器件精准设计提供了基础．本文系统概括了DNA类材料力学性能的研究进展及其在生物医学与纳米技术中的应用．首先，介绍了不同尺度DNA系统的重要实验进展，重点阐述了实验揭示的微观结构和环境条件对于DNA类材料力学性能与响应的影响．其次，探讨了DNA类材料力学行为理论模型的发展，揭示了相关实验结果的潜在力学机制．最后，指出当前关于DNA类材料力学研究与推广应用中存在的问题，展望了通过“数智力学”等新研究范式推动DNA类材料力学研究发展的前景．

超薄芯片剥离工艺作为柔性电子封装流程的核心步骤，是高良率生产的技术保障．本文针对滚轮卷拉与排针顶推两种剥离工艺，建立“芯片-胶层-衬底”叠层结构的理论模型，结合有限元仿真揭示其力学行为差异．通过提出基于胶层界面断裂能与芯片表面损伤应力竞争关系的双判据安全准则，克服剥离工艺安全性量化评估方法的局限．研究表明：顶推工艺在超薄芯片剥离安全性上显著优于卷拉工艺，卷拉工艺仅针对软质厚衬底上剥离大尺寸厚芯片具有较高的工程应用价值．创新性提出了卷拉-顶推组合技术，引入实现芯片应力中和与断裂模式优化的协同匹配思路．研究为无损超薄芯片剥离技术的开发提供了理论支持，对推动微电子高良率封装技术进步具有指导意义．

本文系统研究了无量纲壁面滑移长度(L_s)对槽道湍流流动的统计特性和流动结构的影响．在槽道湍流边界上引入Navier滑移边界条件，采用直接数值模拟方法对L_s在0（无滑移）至0.1区间内的湍流生成及演化规律进行数值研究．结果表明：随着L_s增大，壁面黏性抑制作用显著减弱，导致平均速度剖面整体抬升，其在黏性子层内的平均速度增量与L_s呈线性关系，满足∆〈U〉^+=Re_τ L_s；近壁区湍流脉动强度呈现L_s依赖性增强趋势，Q2（喷射）事件的强化使得雷诺应力峰值升高并向壁面靠近．壁面低速条带分析表明：当无量纲法向结构尺度l_y^+ < 50时，其数量与体积均随L_s增加而显著增大．最终壁面滑移条件的影响局限于壁面附近，而外层惯性主导区仍遵循无滑移壁湍流的标度规律．

针对复合材料网格夹芯圆柱壳的轻量化设计问题，本文提出一种耦合微分求积法(Differential Quadrature Method, DQM)与智能算法的优化策略．首先，基于涂抹加筋法和能量法建立屈曲控制方程，采用DQM求解并通过有限元模拟验证了方法的有效性和精度．进一步，利用人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)建立了代理模型，对夹芯网格圆柱壳临界屈曲载荷进行了预测，模型结果具有良好的可靠性．将代理模型与遗传算法(Genetic Algorithm, GA)结合对结构参数进行了设计优化分析．结果表明，优化后的结构在满足力学约束前提下具有显著的减重效果．

针对超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)与普通混凝土(Normal Concrete, NC)界面粘结性能与断裂行为的复杂机制，为了揭示界面粗糙度与介观结构特征对界面力学性能的影响规律，本文通过界面直接拉伸与直接剪切试验对比光滑、高压水枪、喷砂和凿毛四种界面处理方法的粘结强度，结合激光扫描定量表征界面粗糙度；利用X射线计算机断层扫描(X-CT)重构UHPC-NC三维介观结构，采用深度学习算法分割孔隙、纤维等特征；建立基于X-CT数据的多尺度有限元模型，模拟界面损伤演化与裂纹扩展过程．结果显示，凿毛处理界面粗糙度最高，其直接抗拉与直接抗剪强度分别较光滑界面提升123%和126%；X-CT显示界面存在水化过渡区，其影响着界面化学粘结力，且孔隙率较NC基体显著降低，钢纤维向NC基体渗透形成机械咬合；有限元模拟表明界面失效由NC基体拉伸破坏与界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)裂纹扩展共同主导，混合破坏模式预测结果与试验观察一致．界面粗糙度通过增强机械咬合与化学键合提升粘结强度，介观结构缺陷调控裂纹扩展路径，研究成果为混凝土界面优化设计与修复工程提供了多尺度分析方法支撑．

界面一致性与误差收敛性是并发多尺度计算方法中的核心问题，尤其在原子-连续介质耦合模型中尤为关键．然而，现有理论研究工作较少并且多聚焦于一维情况．本文以多分辨率分子力学方法为研究对象，通过构建原子区域与粗化区域共存的二维方形与三角形原子晶格模型，系统探究了双线性单元插值条件下不同能量采样方案对界面一致性和误差收敛性的影响．研究发现：界面次采样方案可显著提升界面区域一致性，其中包含所有近邻层的采样方案性能最优；误差分析结果显示，离散误差是总误差的主要来源，增加次采样点数量可有效降低采样误差，尤其在拉伸工况下表现显著．此外，两类晶格结构在误差收敛性方面展现出一致规律，验证了方法在不同晶格结构中的普适性．本研究显示了多分辨率分子力学方法中能量采样方案在处理界面一致性与收敛性方面的优势，为发展高精度跨尺度计算力学方法提供了理论支撑．

岩土颗粒材料的力学响应呈现多尺度特性，开展有限元法(Finite Element Method, FEM)和离散元法(Discrete Element Method, DEM)耦合的多尺度模拟可在反映多尺度响应的同时兼顾计算效率．为此，基于国产高性能离散元软件MatDEM开发了GPU并行FEM-DEM耦合计算程序，并结合颗粒孔隙分形特征对计算参数和结果进行分析．首先，采用多重分形理论研究了颗粒孔隙空间分布特征，确定了关键分形指标．其次，通过单元和双轴压缩试验验证了FEM-DEM耦合程序的可靠性．最后，基于双轴压缩试验研究了不同位置处表征元(Representative Volume Element, RVE)的细观响应．结果表明，RVE内孔隙空间分布具有多重分形特征，当颗粒数量超过400时，孔隙空间分布的自相似性确保了RVE内颗粒集合均匀化后输出应力-应变响应的稳定性．容量维数D0和奇异指数α0由于表征孔隙分布的平均信息而与RVE体应变具有线性相关性，可作为反映颗粒材料空间特征复杂性的简洁内变量．研究结果为分析工程尺度颗粒堆积体的宏-细观力学联系提供了一种方法探索．

本文针对深海采矿工程中非粘结柔性管内传感器的集成制造工艺，研究传感器与补偿增强层的集成加工过程及其力学性能．建立柔性管补偿增强层的缠绕工艺仿真模型，系统分析了缠绕张紧力和缠绕角度对传感器缠绕工艺的影响规律，并探讨了传感器数量和缠绕角度对集成后补偿增强层抗拉性能的影响．结果表明：缠绕张紧力对传感器伸长率的影响显著，而缠绕角度对内衬层应力分布的影响更突出．集成后补偿增强层的拉伸性能受传感器数量影响较小，缠绕角度在一定范围内的变化对补偿增强层抗拉伸性能影响不大．研究结果揭示了传感器集成工艺参数与柔性管结构性能的关联性，为深海柔性管的传感器集成工艺优化提供了理论依据．

在陶瓷基复合材料的先驱体浸渍裂解(Precursor Impregnation Pyrolysis, PIP)工艺中，先驱液的黏度影响先驱液浸入纤维预制体内的效果和效率，而黏度本身受浸渍剂中溶质质量分数的影响．为提供优化浸渍工艺的理论依据，本文建立了不同溶质含量下先驱液的表观黏度模型．通过引入描述固、液相含量变化的序参量，建立先驱液切应力、剪切速率及序参量之间的相互关系，而后基于朗道相变理论及拉格朗日能量泛函变分原理，构造并求解了序参量微分方程，得到了表观黏度、质量分数和剪切速率在子域中的近似解析表达，并采用Bernstein多项式一阶近似拓展到整个求解域，获得了不同溶质质量分数的先驱液黏度模型．最后，选择了粉末和黏合剂两种添加物混入的先驱液，通过计算不同质量分数添加物对先驱液黏度的影响，验证了方法的有效性，并基于黏度模型分析了溶质质量分数和剪切速率对先驱液表观黏度的影响．

薄膜的自由振动分析在工程结构中具有重要意义，尤其在薄膜结构的设计与优化过程中．本文提出一种新型三角形单元，旨在提高薄膜自由振动分析中的计算精度．传统的三节点三角形单元在处理薄膜振动时，通常依赖于多项式形函数，但这种方法在复杂的振动模式和高阶频率计算中存在精度不够理想的问题．为了解决这一问题，本文构建了一种形函数包含三角函数的10节点三角形单元，所提三角形单元由三个角点、三条边的两个三等分点及重心点组成，其形函数通过面积坐标表示．推导所提单元的刚度矩阵和质量矩阵，计算薄膜自由振动的频率和模态，从而研究其动力学特性．为了评估该单元的效果，本文选取矩形薄膜和三角形薄膜自由振动作为典型算例．算例中给出本文结果、Ansys三节点单元的计算结果及理论解．结果之间的对比表明，10节点三角形单元在结构划分为较少计算单元的情况下，能够逼近理论解，且本文10节点单元与标准10节点单元的精度相当．从而说明所提有限单元在分析膜自由振动问题时具有高精度，具有进一步研究和推广的潜力．

本文针对位移激励作用下简支梁桥结构的非线性隔振问题展开研究，采用增量谐波平衡法(Incremental Harmonic Balance Method, IHBM)求解简支梁桥非线性振动响应的近似解．以三弹簧体系构成的准零刚度(Quasi-Zero Stiffness, QZS)隔振器与简支梁桥耦合系统为研究对象，基于经典欧拉-伯努利梁理论，建立了位移激励下的运动控制方程，并通过IHBM进行了系统性求解，完整推导了其解析过程．研究采用广义坐标形式，将最终求解结果转化为线性矩阵方程，实现了计算过程的程序化与标准化．为验证IHBM近似解析结果的可靠性，研究将IHBM计算结果与四阶龙格-库塔算法(ODE45)的数值解进行了对比分析，结果表明IHBM方法在计算稳定性和结果完整性方面均表现出显著优势．同时，本研究通过参数化分析探讨了隔振器关键参数对系统振幅的影响规律，进一步证实了IHBM在非线性隔振研究中的有效性和工程实用性．本文成果为简支梁结构的非线性隔振分析提供了新的理论依据和方法参考，对工程实践具有重要的指导意义．

随着我国人口老龄化程度加剧，失能老人自主进食需求日益迫切．针对现有喂食机器人环境适应性不足与刚性结构安全隐患等问题，本文提出一种集成避障路径规划与柔顺控制的新型6自由度喂食机器人系统．采用双向快速拓展随机树(Bidirectional Rapidly-exploring Random Tree, Bi-RRT)算法生成避障路径，并结合D-H (Denavit-Hartenberg)参数完成机械臂运动学逆解计算．在控制层面，引入基于阻抗模型的柔顺控制策略，通过动力学仿真验证其在突加外力作用下的柔顺特性．样机实验表明：该机器人可有效地规避障碍物，并在受到外力时体现出柔顺性．固体与半流质食物喂食成功率均达100%，流质食物因末端执行器结构限制存在撒漏情况．本研究为提升喂食机器人安全性与环境适应性提供了算法框架与工程实践参考，后续可通过优化末端执行器设计进一步改善流质食物的喂食效果．

指数型功能梯度板的固有频率优化对提升结构动力学性能至关重要，本文提出一种融合光滑有限元法与代理模型的高效精确优化方法．基于一阶剪切变形理论，构建了功能梯度板自由振动分析的光滑有限元法．在计算系统刚度矩阵时，对光滑域内的弯曲应变进行梯度光滑操作，不仅避免了形函数导数的计算，而且提高了分析精度．通过在单元边中点独立插值剪切应变分量，弱化位移场与剪切应变的耦合，有效消除了剪切自锁现象．为实现对梯度指数的优化，首先采样并利用光滑有限元法计算样本点固有频率．随后，基于样本数据建立梯度指数与固有频率的代理模型，并采用黄金分割法优化梯度指数，使目标频率达到预设值．数值算例结果表明，基于分段三次 Hermite 插值的代理模型精度高，并且结合代理模型的优化策略显著减少了调用光滑有限元法的次数，大幅提升了优化效率，为指数型功能梯度板固有频率优化提供了高效实用的解决方案．

对石墨烯增强复合材料倾斜输流管道在两相流情况下的非线性动力学问题进行了研究．基于von Karman非线性应变位移关系与Hamilton原理，建立了倾斜两相流输流管道的动力学方程．通过伽辽金法和四阶龙格-库塔法求解非线性动力学模型，分析了石墨烯纳米片的分布形式、质量分数以及气体体积分数对输流管道固有频率和非线性动力学的影响．实验结果表明，V型分布的石墨烯增强输流管道振动幅度最小，其次是X型分布、A型分布．此外，增加气体体积分数有助于缓解管道的流体诱导振动现象．上述结论为石墨烯增强倾斜两相流输流管道在实际工程中的应用提供了理论依据．

开缝衬套孔冷挤压强化技术是提升航空结构件疲劳寿命的关键工艺，但其工艺参数的波动对疲劳性能的影响规律研究尚不充分．本文以7050-T7451铝合金为研究对象，结合疲劳试验、有限元仿真与机器学习方法，系统分析了初孔直径、开缝衬套厚度及芯棒挤压区直径对疲劳寿命影响的灵敏度．基于7050-T7451铝合金材料的S-N曲线模型，采用临界距离线法构建了孔冷挤压强化件的疲劳寿命预测模型，进而基于该模型分析得到的数据集训练出了疲劳寿命的智能预测模型．进一步基于智能预测模型获得的40万个数据，采用Sobol全局灵敏度分析方法得到了初孔直径、开缝衬套厚度及芯棒挤压区直径等参数对疲劳寿命影响的独立及交互作用贡献度．结果表明：初孔直径对疲劳寿命影响最为显著，其独立作用及协同效应均占主导；开缝衬套厚度与芯棒挤压区直径的影响主要通过交互作用体现．研究提出初孔直径需优先优化公差控制，而衬套厚度与芯棒直径可通过协同设计降低成本．该方法为主要工艺参数识别及优化设计提供了一种高效、经济的方法，相比传统开展物理试验或通过有限元仿真分析的方法，优势显著．

在熔盐罐储能发电过程中，熔盐罐罐底的陶粒层起着承载、隔热的重要作用．在循环载荷作用下，陶粒层颗粒受到挤压流动及颗粒自身接触应力等因素对整体沉降的影响分析是重要的设计依据．本文针对熔盐罐罐底陶粒层采用离散元软件EDEM中的Hertz-Mindlin接触模型建立离散元颗粒仿真模型，对陶粒层压实回填工艺及满罐工况模拟，对比分析预压实工艺、陶粒粒径分布对陶粒挤压沉降和最大等效应力的影响规律，以及离散元分析结果的随机性影响．结果表明，陶粒层高度1.6 m，陶粒粒径范围5~20 mm，采用分段压实回填工艺，重罐5万吨加载，其陶粒内部最大应力18.1~21.8 MPa，总体沉降量20.44~29.6 mm．随着陶粒粒径的增大，其最大应力降低，粒径15~20 mm时，陶粒最大应力为12 MPa，但沉降量显著增大，达到184 mm，因此宽粒径分布范围有助于减小沉降量．综合考虑，陶粒为5~20 mm粒径时，分段多次预压实工艺最优，考虑颗粒随机性波动影响，陶粒层最大应力为23.16 MPa，最大沉降量为23.5 mm，满足设计要求．

针对水滴冲击超疏水表面压电悬臂梁的动态俘能过程，建立了水滴冲击力模型，根据欧拉-伯努利梁理论构建了压电悬臂梁力电耦合预测模型．搭建了水滴冲击试验台，测试了多种冲击参数下（水滴直径Dd = 2.4~4.4 mm和冲击速度Vd = 1.0~3.4 m/s）压电梁的动态响应特性，设计混合水平正交实验L18(36×61)，分析了不同结构参数对压电梁输出总电能和峰值电压的影响规律．结果表明，水滴冲击激励作用下压电悬臂梁末端最大变形与输出峰值电压之间始终呈线性关系．水滴在低韦伯数和高韦伯数条件下分别呈现“反弹”特性和“飞溅”特性，且实验结果与模型预测结果均高度一致，验证了模型的适用性和准确性．悬臂梁基础层厚度是影响电学响应的关键因素，且存在最优结构尺寸使其电学输出达到最大．随悬臂梁长度的增大，抗弯刚度逐渐减小，输出电压和总电能逐渐增大；但电能密度呈现先增大后减小的趋势，在悬臂梁长度L = 35 mm时达到最大dE = 4.27 mJ/m2．研究结果还可以为后续小尺寸压电梁的结构优化提供参考依据．

目前超过90%的粗钢生产是通过连铸完成的，而在连铸生产过程中增加拉速能够显著提高生产效率，但会对流场造成影响，加剧卷渣、气泡卷吸的发生，会引起一系列的质量缺陷，成为了制约高拉速结晶器发展的关键问题．本文基于大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)耦合了流体体积模型(Volume of Fluid, VOF)和双向耦合的离散相模型(Discrete Phase Model, DPM)建立了连铸结晶器的多相流数值模型，针对三种拉速变化，从流场变化、钢-渣界面速度、钢-渣界面波动和卷渣量等角度进行分析，揭示了内部相关的变化规律，发现一定程度地提高拉速反而能够提高生产质量，为连铸生产的拉速优化提供了参考．

为揭示组合多裂纹岩体失稳破坏机制及能量演化规律，本研究利用PFC2D建立红砂岩数值模型，基于完整红砂岩试件单轴压缩试验和巴西劈裂试验结果对数值模型进行细观参数标定，在此基础上开展组合多裂纹红砂岩的颗粒流模拟试验．结果表明：随短长轴比λ的增大，倾角α不变，多裂纹红砂岩的峰值强度大部分逐渐降低；随着倾角α逐渐增大，保持短长轴比λ不变，多裂纹红砂岩的峰值强度逐渐增加；破坏形态呈现斜剪张拉破坏，以张拉为主，剪切为辅，试件破坏失稳模式均是沿着预制裂隙的延展方向贯通，多裂纹红砂岩破坏形态受短长轴比和倾角的共同影响；在峰值强度前，岩石主要表现为能量积累特征；在峰值强度时，红砂岩的总能量以弹性能为主、耗散能为辅；在失稳破坏时，红砂岩的总能量以耗散能为主、弹性能为辅；红砂岩的储能能力和破坏难度随多裂纹倾角α和工况条件的变化而变化，可为破岩作业做参照；并建立了精度较高的基于不同高径比λ与不同节理倾角α下的红砂岩损伤本构模型．

由于腻子强度低，无法直接采用标准张拉断裂试验测试其断裂韧性．为了较为准确地测试出腻子等低强度材料的张拉断裂韧性，本文对紧凑拉伸试验进行改进，结合数值方法推导出了张拉断裂韧性的计算公式，并基于边界效应的影响对公式进行了修正．之后采用不同初始裂缝长度的紧凑拉伸试验，对修正公式的准确性进行验证．研究结果表明：修正公式可以直接计算出材料的断裂韧性；应力强度因子与有限边界效应无关，与相对边界条件有关，且随着初始裂缝增大，边界效应越明显；试样的断裂符合张开型断裂形式，基于修正公式求出的断裂韧性约为42 kN/m^(3/2)，且波动较小；通过试验验证了改进后试验方法及修正公式的准确性，研究成果可用于腻子等低强度材料断裂韧性的测试，对腻子的研发及升级迭代具有指导意义．