随着复合材料制造工艺的不断进步和民航对经济性要求的不断提高，轻质高强复合材料结构在航空航天领域的应用已从薄壁次承力结构逐步扩展到大厚度、变截面的主承力结构．这些复杂复合材料结构件的广泛应用对其制造可靠性验证提出了更高要求．然而，由于层状各向异性以及航空结构外形的复杂性，主承力复合材料结构制造过程中易出现分层、孔隙、纤维褶皱及树脂富集等缺陷，这些微观结构异常将显著劣化构件的宏观力学性能．超声检测技术凭借其高穿透性、高灵敏度和良好的适用性，成为航空复合材料结构缺陷检测的重要手段．本文首先介绍了航空复合材料结构制造缺陷的类型及特征，重点分析了孔隙、分层、纤维褶皱和树脂富集等缺陷的成因及其对结构力学性能的影响．接着，评述了近年来超声检测技术在层合薄板及大厚度复合材料结构中对单一制造缺陷和混合缺陷的检测研究进展．随后，探讨了人工智能技术在复合材料结构缺陷诊断中的应用．最后，分析了当前航空复合材料结构超声检测技术面临的挑战，并展望了未来的发展趋势．

固态锂金属电池进行充放电时，表面粗糙的锂电极和固态电解质界面上产生的应力对锂枝晶的产生有重要影响．本文通过建立电极与电解质组成的弹性体的力学模型，具体针对二维三角函数波形的粗糙界面，对于各向同性线弹性材料，研究了电极与电解质界面的应力．基于二维傅里叶变换，获得了变换域中界面处的应力和位移之间的关系，通过逆变换并结合边界条件和界面连续性条件，最终得到了二维情况下电极和电解质界面应力的解析解．当界面沿一个方向的表面粗糙度波数为零时，该界面应力解可以退化为已有的一维情况的解．通过算例分析了电解质和电极材料参数对界面应力大小的影响．

层合梁由于其增强刚度和强度的特性，被广泛应用于工程结构中．然而，分层作为一种不可见损伤常出现于层合梁制造与服役过程中．因此，精确定位层合梁分层对于保障结构完整性至关重要．尽管现有线性界面振动模型可表征为由张开型分层引发的分层区域线性界面力缺失，却无法刻画振声激励下呼吸型分层的张开-闭合接触行为．针对此问题，本研究提出了一种新型界面非线性振声模型，将界面力作为多频谐波激励源分布于分层界面，从而产生边带谐波．在此模型基础上，本文着重研究了利用非线性界面力局部化的特征进行分层定位的方法，通过其非线性工作变形构造非线性界面力，并由频域多个相邻边带处界面力构造非线性损伤指标．本研究通过非接触激光扫描量测获取层合梁工作变形，对所提出的分层定位方法进行实验验证．结果表明，该方法可准确识别层合梁分层损伤，并且精确刻画其位置与尺寸．

受生物运动神经系统启发而来的中枢模式发生器(Central Pattern Generator, CPG)控制理论方法，可以实现腿足机器人产生多种不同的步态模式，在机器人的仿生运动控制中具有重要意义．针对六足机器人的步态运动控制，首先改进了经典的VDP (Van der Pol)振荡器模型，增加了其周期节律信号上升和下降阶段的时间占比函数，进而可以实现机器人腿足摆动相和支撑相的参数调控．其次，采用改进的VDP振荡器作为功能结构单元，利用单元之间的耦合时滞实现对步态模式的调控，构建了单向环形的新型时滞耦合CPG控制器．进一步，我们在SolidWorks中设计了一款六足机器人模型，并通过ADAMS和MATLAB联合仿真实验，实现了六足机器人常见的三足、四足和五足三种步态模式．最后，通过对实物样机的步态测试实验，验证了所提出的时滞耦合CPG控制系统的可行性和有效性．

手性液晶弹性体(Chiral Liquid Crystal Elastomers, CLCE)因其能够选择性地反射特定波长的光，并具备优异的大变形能力，已逐渐成为一种具有广阔应用前景的柔性反射显示材料．研究表明，CLCE的光学呈色特性与局部应变密切相关，展现出显著的力-光耦合效应．作为一种软物质材料，CLCE具有黏弹性特征，其在变形过程中的力学响应表现出明显的时间依赖性．然而，目前对CLCE在单轴和双轴变形条件下光学与黏弹性耦合特性的系统研究仍较为匮乏．本文基于多轴光-力学测试平台，系统地研究了CLCE在单轴及等双轴变形条件下反射光谱的时间依赖特性．通过分析在应力松弛过程及不同加载速率下的光谱特性，基于拉伸指数黏弹性本构关系，改进并提出了一种适用于CLCE的光-黏弹性耦合唯象模型．该模型为进一步优化CLCE在智能光学器件中的应用提供了理论支持和实验依据．

为满足新的检测需求并实现高灵敏度，微梁生物传感器技术在信号解读模型的发展方面遭遇挑战．我们通过对表面吸附作用下微梁准静态检测信号的3D有限元模拟，揭示了微梁横截面翘曲的非对称分布特征，然而现有考虑剪切变形的理论模型无法描述这种非对称翘曲变形．针对这一问题，首先，将分子完全吸附简化为作用于微梁表面的均匀分布表面应力，通过3D有限元模拟获得翘曲零点分布规律．然后，利用平面弹性理论的半逆解法，在变形后的横截面上确定与非对称翘曲特征相适应的切应力分布和剪力，由此改进了Timoshenko梁理论，建立了预测微梁准静态检测信号的新模型．最后，通过比对实验结果和有限元模拟验证解析模型．结果表明，本文改进模型预测与有关微梁实验吻合良好，且在现有吸附-微梁静态实验所选用的几何尺寸范围内（长厚比200~500，长宽比3~7），本文改进模型关于微梁自由端挠度的预测误差（3 %以内）均小于其它理论预测；剪切效应与轴力效应对微梁挠度的贡献为负，且剪切效应对微梁挠度的贡献明显大于轴力效应的贡献．本文模型和结论为微梁生物传感器静态检测信号的解读和有关设计提供了一种新的思路

通过对304不锈钢丝网/碳纤维混杂复合材料(Stainless Steel Wire Mesh/Carbon Fiber Reinforced Polymer, SSWM/CFRP)层板的拉伸试验和数值仿真模拟，探究了不同孔径单孔试件和不同圆孔排布双孔试件的剩余强度和失效模式，采用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)来观察试件的变形和损伤演化特征．结果表明：含孔SSWM/CFRP层板的拉伸应力-应变曲线总体呈现出脆性破坏的特点，其中单孔试件的剩余强度随孔径的增大而减小，双孔试件的有效横截面积受到试件圆孔排布的影响．DIC技术捕获单孔试件局部的最大拉伸和剪切应变值分别出现在圆孔左右和斜对角线位置．构建的有限元模型可以有效预测试件的剩余强度和断裂路径，并揭示了试件的主要失效模式为SSWM的延性断裂、0°纤维层的纤维拉伸损伤、90°纤维层的基体拉伸损伤以及层间分层损伤．

低频振动与噪声大小是评价汽车舒适性的重要指标．本文针对汽车板件的低频振动与控制问题，提出了一种基于局域共振机理的板型二维声子晶体模型．采用有限元方法确定了该声子晶体的带隙范围，分析了声子晶体带隙产生的机理．然后计算了声子晶体板的传输特性曲线，同时对比了振动位移图．结果表明：在62.48~74.16 Hz频率范围该结构出现完全带隙；基体板与圆柱振子在特定频率内存在耦合作用，导致其在该频率范围内形成带隙；在带隙范围内，弹性波在声子晶体板中的传播得到了有效限制；通过改变结构的材料与几何参数可以将带隙频率范围调节到满足更多实际应用需求的低频区间．本文提出的结构设计及其分析方法在汽车低频减振降噪等工程领域中具有广阔的应用前景．

鉴于我国东部沿海地区碳排放量高且陆上封存容量有限的现状，CO2海底地质封存具有显著的应用潜力．尽管海底地质封存过程中CO2泄漏的风险极低，但准确评估快速泄漏情景下的海水中CO2扩散规律对于确保封存安全至关重要．本研究基于典型海洋环境数据，采用Volume of Fluid (VOF)模型模拟CO₂气泡动态特性，并用欧拉模型模拟CO2集群在海水中的扩散特征，从而完成流体动力学的综合仿真分析．在此基础上，开发基于机器学习的海底CO2泄漏量评估方法．构建神经网络模型框架，并据此建立反问题求解模型，解析不同海洋环境条件下CO2泄漏时的形态演变与分布范围，反演出导致此泄漏情景的裂缝宽度及泄漏速度等关键参数，进而精确计算出泄漏量．该模型预测精度可达95 %以上，证明其在处理CO₂泄漏反问题上的有效性和适用性．本研究不仅为海底地质封存CO2快速泄漏评估提供了一种创新性的方法路径，也为未来相关领域的风险评估与安全管理提供了重要的科学依据和技术支撑．

自然单元法是一种基于自然邻近插值的无网格方法，其形函数构造简单，且易于施加本质边界条件．基于极限分析理论和降维思想，建立了用自然单元法进行二维理想弹塑性结构极限下限分析的整套求解算法．极限下限分析中的弹性应力场由自然单元法直接求出，利用自然单元法弹塑性迭代的结果得到自平衡应力基矢量并构造出所需的自平衡应力场．极限下限问题被转化为一系列数学规划子问题，并采用复合形法直接求解．数值算例结果表明，将自然单元法应用于极限下限分析是可行有效的．

损伤识别是结构健康监测的重要环节之一．为了进一步提高损伤识别效率和精度，提出了基于改进的模态应变能指标和DBO-BP (Dung Beetle Optimization-Back Propagation)神经网络的两阶段结构损伤识别方法．首先采用改进的归一化模态应变能损伤指标进行结构的损伤定位分析，然后以结构的平均单元模态应变能变化率为输入参数，损伤单元刚度折减系数为输出参数，利用最优拉丁超立方方法改进后的蜣螂优化算法(Dung Beetle Optimization, DBO)优化BP (Back Propagation)神经网络权值和阈值，进行结构的损伤定量分析．以混凝土板结构和平面刚架结构作为算例进行损伤识别验证．结果表明，该方法损伤位置定位准确，损伤程度计算效率高，并且识别误差减小到了0.4 %，损伤识别效果好．

在急速传热等极端条件下，需要建立考虑有限热传播速度的非Fourier热传导模型，其中包含了双曲型热传导方程．本文基于修正偶应力弹性理论和Green-Lindsay广义热弹性理论，得到热力耦合理论的控制方程和四种色散波（CP波、CT波、SV波和SS波）．采用波函数法，完好界面条件包含面力、位移、面力偶、微旋转、温度变化和热流，入射波确定后，反射透射波通过有限厚度三明治结构的振幅比可以通过相应线性代数方程组获得．本文重点研究SV波入射时，两个热弛豫时间对CT波反射透射系数、一个偶应力参数对SV波和SS波反射透射系数的影响，最后用各波的法向能流守恒来检验数值结果．

针对连续的蠕虫型系统的运动，本文研究了摩擦系数和线密度对该系统运动的影响．首先，以描述蠕虫型系统运动的动力学模型和准静态模型为基础，采用方应变波的驱动方式，得出了两者在一个完整周期内的平均速度．然后，通过比较这两个平均速度，发现在较小的摩擦或较大的线密度情况下，动力学模型不能简化为准静态模型．接着，基于平均速度相对误差的准则，本文给出了不能忽略这些参数对系统运动影响的条件．最后，通过一个数值算例，比较分析了由两模型得到的十个周期内的位移时程关系，结果表明了在一定条件下这些参数对该系统运动的影响较大．

本文研究了分数阶黏弹性地基上非贯穿裂纹板的自由振动问题．首先，引入分数阶导数，建立分数阶黏弹性地基模型．接着针对四边简支板研究含贯穿裂纹情形的自由振动问题，在此基础上将贯穿裂纹推广到非贯穿裂纹．基于能量释放率和应力强度因子的关系得到两种情况下裂纹引起的附加转角，并进一步导出两种情况下裂纹等效扭转弹簧的柔度系数．最终，根据边界条件得到复固有频率．通过具体算例，讨论了黏弹性地基的分数阶系数、黏性系数以及裂纹位置和裂纹深度等参数对复固有频率和振型的影响规律．

花岗岩内部常含初始裂隙，导致其强度特性受裂纹扩展影响较大．当前的岩石强度理论尚未考虑裂纹扩展，难以有效反映裂隙花岗岩的强度和破坏特性．针对完整和裂隙花岗岩开展了单/三轴压缩试验和巴西劈裂试验，研究了拉伸及压缩条件下的强度与破坏特性，探讨了围压和裂隙倾角（裂隙与横断面夹角）对花岗岩刚度、强度及破坏模式的影响规律，并提出一种能反映裂纹扩展的岩石强度计算方法．根据完整花岗岩发生II型裂纹摩擦滑移、裂隙花岗岩发生I-II型复合断裂的特点，基于断裂力学理论建立了完整和裂隙花岗岩的破坏条件．理论分析结果表明，初始裂隙会显著降低花岗岩的抗压强度和变形刚度，其抗压强度、弹性模量及割线模量均随裂隙倾角减小而降低，而泊松比则增大．初始裂隙会明显降低花岗岩的抗拉强度，且抗拉强度随裂隙倾角减小而降低．

本文利用时间尺度上Noether对称性理论，讨论时间尺度上近似Hamilton系统的近似Noether定理．首先，给出时间尺度上近似Hamilton系统的Hamilton原理，建立了时间尺度上近似Hamilton正则方程．其次，得到时间尺度上近似Hamilton系统的Noether等式，建立时间尺度上近似Noether对称性与近似守恒量之间的联系，得到时间尺度上近似Hamilton系统的近似Noether定理．最后通过算例验证理论结果的应用．

气泡是微反应器效率和质量的重要影响因素．因此，了解微通道中气泡输运机理可以为微反应器的设计提供指导．而气泡运动是一种典型的气泡输运现象，本研究以计算流体力学为基础，通过系统参数化研究单泡运动特性，分析结果得到气泡的运动规律，从而揭示气泡运动机理．研究发现当气泡初始不附着壁面时，单泡运动轨迹是多样的，但气泡最终达到平衡位置（即离壁面的距离为一定值）．并且，该平衡位置与气泡直径、驱动速度以及溶液的物化性质都具有相关性．雷诺数(Re)和毛细管数(Ca)被选用为表征以上特性的无量纲数．基于气泡大小和常用溶液物化性质，在0.288<Re<97.2，0.005<Ca<0.228范围内进行研究，得到Re和Ca的关系可以通过气泡平衡位置Ye（最终气泡离壁面距离的无量纲数）进行分类：(1) 当0<Ye<0.45时，Re和Ca呈现幂律关系；(2) 当0.45<Ye<0.95时，Re和Ca则为线性关系；(3) 当粘性效应可以忽略不计时，气泡附着在壁上(Ye=0)；(4) 当粘性效应占主导地位时，气泡位于微通道的中心(Ye=1)．相应地，气泡运动机理可以从操纵力角度上来解释．操纵力包括由壁面、形变和剪切应力梯度引入的力，即气泡运动受壁面、惯性、粘性和表面张力效应的综合影响．

剪切断裂模型是用于描述金属断裂行为的重要工具，而剪切拉伸试验则是校准其参数的关键基础试验．然而，现有剪切拉伸试验在剪切应力状态下获得的最大应变较小，难以满足大应变条件下的稳定剪切状态．本文利用LS-DYNA软件进行有限元分析，对四种不同的剪切拉伸试样进行模拟，验证其本构模型和边界条件的可行性．参考GB/T 34487-2017中的剪切拉伸试样图，设计了一种新型剪切拉伸试样．该设计在保证不发生断裂的情况下，使应力三轴度波动保持在± 0.05以内，并实现了10 %的有效塑性应变．

为研究环境压力和间隙对T2/Q235爆炸焊接复合质量的影响，本文采用Ansys软件对T2/Q235爆炸焊接过程进行三维数值模拟．采用光滑粒子流体动力学(Smooth Particle Hydrodynamics-Finite Element Method, SPH-FEM)耦合算法与任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)算法，分析不同环境压力和间隙条件下的碰撞速度与碰撞角．结果表明，在相同间隙下，随着环境压力的降低，SPH-FEM算法的碰撞速度在1 atm时达到最大，而ALE算法在0.2 atm时达到最大，更接近试验结果．在相同环境压力下，两种算法均表明6 mm间隙下的碰撞角略大于3 mm和9 mm，而ALE算法在常压下3 mm间隙的碰撞角更接近下限，与试验一致性更佳．此外，将ALE算法下0.2 atm、6 mm间隙的模拟结果与理论计算对比发现，其碰撞速度与碰撞角更接近理论值．研究结果表明，ALE算法模拟结果与试验和理论计算均吻合得更好，验证了其在T2/Q235爆炸焊接模拟中的有效性．

压杆稳定是大学材料力学课程的重要组成部分，也是比较难讲述的部分．在经典材料力学理论中，临界载荷通过讨论屈曲状态下压杆的近似平衡微分方程的非零解条件得到．该方法简单但较抽象，且不便用于复杂工程稳定性问题的具体求解．为了使学生更好地理解压杆稳定问题的含义及其处理方法，本文从虚功原理和最小势能原理出发，重新梳理了经典压杆稳定问题，并基于这一思路分析了碳纳米管在纵向温度线性梯度下的热屈曲问题，希望为压杆稳定问题的教学和研究提供新的思路，帮助学生更好地理解和掌握压杆稳定的概念和处理方法．

近年来，纳米摩擦学领域高度关注石墨烯及其相关二维材料的摩擦问题，并在理论研究、实验探索和计算模拟等方面取得了重要进展．由于纳观尺度摩擦过程极为复杂，相关摩擦机理仍未完全明晰，因此需从原子层次深入探究其摩擦机制、揭示摩擦规律．本文采用分子动力学模拟方法，对悬空的单层石墨烯表面上金刚石探针的滑动摩擦过程进行研究．探究法向载荷对摩擦行为的影响，分析摩擦力与实际接触面积的依赖关系．结果表明，摩擦力与法向载荷及实际接触面积之间的关系并非线性，这与传统块体材料的摩擦规律存在显著差异．具体来讲，在正载荷区间，摩擦力随着载荷的增大而逐渐增大；在负载荷区间，摩擦力几乎不受载荷变化的影响．这有助于从原子层面揭示二维材料在纳米尺度下的摩擦行为，为纳米器件的设计和纳米摩擦学的发展提供理论支持．