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．

锂离子电池在充放电循环过程中会不可避免地发生容量衰减，这种性能劣化现象普遍存在，且符合人们的日常认知．然而，显而易见的电池劣化现象背后的机理则是相当复杂．本文首先分别从颗粒尺度和电极尺度入手，对锂离子电池的多尺度-多场-多过程的力-电化学耦合劣化机理进行了梳理，其中对固态电池的劣化进行了单独的讨论．进一步地，本文梳理了用以描述锂离子电池力-电化学耦合劣化行为的劣化模型．需要指出的是，由于电池劣化机理的复杂性和外部可测量的稀缺性，建立劣化模型是具有挑战性的，且目前仍存在巨大的研究空白．基于此，本文提出了一种双向劣化模型的设想，融合物理模型和数据模型，以具有一定物理意义的内变量为纽带，建立围绕内变量的“力学行为-内变量-劣化行为”完整映射，为客观、准确地描述和预测电池劣化行为提供新思路．

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．

复合材料承压结构是指采用复合材料制造的用于承受压力的部件，例如车载储氢容器、液氧贮箱、固体火箭发动机等．结构具有轻质高强、可设计性好等诸多优点，在航空航天、汽车和石化等领域得到广泛应用．然而在严苛服役条件下，复合材料承压结构的损伤积累及扩展极易导致部件失效，因此为提高其在役安全性，发展先进结构健康监测技术至关重要．本文首先详细对比了超声导波、声发射、红外、光纤光栅等监测方法的优缺点，重点阐述了复合材料承压结构健康监测方法及研究进展．其次，针对复合材料承压结构的材料特征，讨论了植入式微纳材料传感器在纤维/基体界面和层间性能监测方面应用及面临的关键挑战．最后，探讨了新型传感技术及人工智能方法的研发进展，并分析了其在复合材料承压结构在役安全保障领域的应用前景．

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．

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．

随着航天技术的发展，大型薄膜衍射太空望远镜以其质量体积小、成像分辨率高、易折展等优点获得广泛的关注与研究．本文对大型薄膜衍射太空望远镜结构进行振动控制研究，给出基于压电作动器的振动控制方案．首先采用有限元方法建立结构的动力学模型，然后根据可控性准则进行作动器位置寻找，之后基于模糊Proportional-Derivative (PD)算法设计控制律，最后通过数值仿真验证本文研究方法的有效性．本文中，还通过数值仿真研究了压电作动器数量与控制稳定所需时间的对应关系，另外还进行了控制律鲁棒性的研究．

随着航空发动机领域的飞速发展，热端涡轮叶片服役环境越发恶劣．为了提高叶片的承温能力，行业内提出了双层壁叶片结构，其原理为“外壁承温，内壁承载”．本文针对双层壁叶片气膜孔结构强度问题，采用参数化建模构建叶型及外壁孔结构，通过仿真分析确定孔型设计参数对圆柱型气膜孔、圆锥型扩张孔和簸箕型扩张孔的孔周结构强度的影响，最后根据参数输入及对应响应构建神经网络模型，通过遗传算法优化径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络的权值与阈值来提高代理模型的准确性．寻优获得三种不同结构的气膜孔最优孔型设计方案，相较于圆柱型孔，圆锥型扩张孔孔周应力降低了25.12 %，簸箕型扩张孔孔周应力降低了22.54 %．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

本文对车载功率模块引脚焊点在器件功率损耗产生的热量和路面颠簸引起的随机振动共同影响下的可靠性进行了研究．建立多物理场有限元分析模型对引脚焊点进行电热固耦合疲劳寿命仿真，得到发热状态和常温状态下的焊点随机振动响应应力分布和振动疲劳损伤值．利用基于经验的Dirlik疲劳损伤模型和Miner线性损伤累积法则对两种状态的疲劳寿命进行了估算和对比分析．结果表明：在考虑电热固耦合作用下，局部约束刚度降低和焊点振动响应应力增大导致焊点振动疲劳寿命明显降低，但仍然满足规定的振动可靠性要求．结合满功率负载发热状态下的振动失效试验结果，验证了分析结果的准确性和装置设计的可靠性．

材料在接触疲劳载荷下亚表面裂纹的萌生是其主要损伤模式之一．采用晶体塑性模型耦合内聚力单元，模拟高强钢在滚动接触疲劳载荷下亚表面原奥氏体晶界处的疲劳裂纹萌生．基于内聚力模型的损伤起始准则和疲劳损伤演化规律，并利用USDFLD子程序将内聚力单元的疲劳损伤与晶体塑性模型结合，计算了滚动接触疲劳加载下的损伤随循环次数的累积．对Voronoi模型下的疲劳裂纹萌生进行了模拟，研究了晶体取向对裂纹萌生的影响．结果表明，裂纹的萌生受剪切应力主导，萌生位置在最大剪切应力范围内，模拟结果和试验观察一致．晶粒取向对裂纹萌生位置与萌生寿命有显著影响．

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．

针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构，推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式，应用于Timoshenko梁理论，得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型；采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型，完成了仿真分析，验证了理论预测模型的有效性．对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样，开展了准静态压缩力学试验，同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析，验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性，最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律．研究结果表明：对于线性变截面弯折杆，文中所推导的弯矩分布更加精确，能有效降低理论解的误差；采用本文中的理论预测模型，若长径比在3.5~8.7区间内，BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3 %以内．

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．

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．

龙卷风具有作用范围小、持续时间短、作用强度大的特点，是自然灾害中破坏力最大的灾害之一．受限于龙卷风危险性及发生发展时空随机性，现场实测数据过于稀缺且难以收集近地面区域风场数据．鉴于此，提出了基于神经网络模型的数据融合方法，实现不同来源风场数据的融合，并对模型预测效果及泛化能力进行验证．在此基础上，对龙卷风切向速度场进行了预测．研究表明：在低涡流比龙卷风预测中，实测数据的驱动模型平均误差在35 %以上，而采用数据融合驱动模型平均误差为14 %以下，表明融合模型具有较好的预测精度．在高涡流比龙卷风预测中，实测数据驱动模型平均误差在28 %左右，而数据融合驱动模型平均误差在10 %以下，表明数据融合模型在预测高涡流比时仍保持较高精度，具有较好泛化性．融合模型重构的低涡流比风场涡核为破裂状，高涡流比风场核心区域风速明显增加，且近地面风速覆盖范围增加．该模型能获取近地面及涡核中心附近处的风场数据，同时提高了龙卷风风场空间分辨率，为龙卷风环境下结构抗风实践提供重要支撑．

拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一，采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义．渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究，这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板，其本质是在最优解附近寻找近似解．此外，由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难，现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响．本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法，以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型．该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量，拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致．采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题，并给出了单元刚度矩阵的修正方法．优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解．数值算例表明，结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响．与现有基于单元密度的优化方法相比，所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场，计算效率提高约26 %，同时给出更多材料分布细节．

碳化硅(SiC)复合包壳的热-力学性能和抗辐照性能较强，是一种优异的轻水堆事故容错燃料包壳，其结构完整性对反应堆安全运行至关重要．本文综合考虑各层材料的辐照效应，开展了SiC复合包壳在轻水反应堆稳态运行1 146天后发生失水事故(Loss of Coolant Accident, LOCA)期间的热-力耦合行为数值模拟，获得了CVD-SiC单质层的第一主应力分布和演化规律，并对应力演化的影响机制开展了分析．结果表明：LOCA期间内部CVD-SiC单质层的最大拉应力先迅速增加，后缓慢增加，存在开裂的风险；包壳外压降低是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子快速增加的重要原因；内压随着温度的升高而增大，是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子继续增加到峰值的原因；复合包壳管在稳态运行阶段存在较大的径向温差，由于LOCA初期温差的降低引起的热应力对内部CVD-SiC单质层的最大拉应力也产生了显著的影响，有望通过提高碳化硅纤维增强复合材料的热导率来降低复合包壳管的失效风险．

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．

航空发动机叶盘结构服役于高温、高转速的恶劣环境，使得叶片与轮盘非连续界面之间的涂层接触力学行为复杂，影响整体动力学性态．本文基于三维弹性理论建立了一种基于多层半空间体的接触模型，研究多层结构粗糙表面间的接触响应规律．采用数学解析形式将粗糙表面形貌分解为微观、介观和宏观多层级几何轮廓，引入Papkovich-Neuber势函数（P-N势函数），结合傅里叶积分变换法和影响系数法，构建了多层接触的边值问题，应用共轭梯度算法得到接触频响函数解．通过典型多层接触问题的解析解和有限元结果对比，验证了模型的可靠性；进一步研究了不同弹性模量、泊松比及摩擦系数下层内的应力场、位移场变化规律，为研究涂层系统表面粗糙界面的接触响应提供了一种可行而有效的方法．

手性超材料通过其特殊结构的设计，可以实现异于常规材料的独特特性．本文旨在讨论超材料层对于入水冲击载荷的影响．通过非线性本构关系模拟了反四手性蜂窝(Anti-Tetrachiral Honeycomb, ATH)的力学性能，并比较了不同的材料特性本构关系对于入水过程的影响．研究表明，材料的平台应力与致密应变均对入水冲击的载荷有较大影响．当平台应力较高时，材料性质接近于常规材料，且平台应力的降低与致密应变的增加均可延长冲击载荷作用的时间，降低材料所受冲击的峰值．

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．

隧洞施工和服役过程中容易出现支护结构渗流破坏、涌水等与渗流场相关的工程问题．为更方便快捷地对隧洞的孔隙压力、涌水量等进行预测并为数值模型提供验证，本文对渗透各向异性饱和地层中圆形隧洞的渗流场开展理论研究，并充分考虑注浆区/衬砌对渗流场的影响．利用坐标变换和保角映射对渗流场基本控制方程进行处理，求解围岩和注浆区/衬砌区孔隙压力分布．使用配点法处理两区域交界面各点孔压和流量协调，获得了在精确满足边界和协调条件下围岩和衬砌/注浆区渗流场的控制方程，以及孔隙压力与比流量稳态分布的半解析模型．解析解与数值解的一致性验证了模型的正确性．利用解析模型分析了衬砌渗透系数、围岩渗透性各向异性程度、注浆区厚度等因素对隧道渗流量和衬砌外水压的影响．

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．

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．

本文利用Hamilton体系中的“辛-叠加”方法，基于弹性薄板理论，对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一混合边界条件矩形薄板静力问题进行了解析研究．首先基于Hamilton求解体系辛几何方法对对边简支这一经典边界条件矩形薄板问题进行了解析求解，然后以此为基本体系采用叠加法思想对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一复杂混合边界条件矩形板问题进行了求解，最后采用有限元数值模拟对本文方法的正确性和收敛性进行了验证．本文方法同时具备辛几何方法的理性和叠加法的规律性优点，其求解过程中无需预先假定解的形式，直接由弹性力学基本方程出发，通过逐步严格推导来获得解析解．该方法通用性强，可用于一些传统方法难以解析求解的矩形板问题中．

燃料组件振动引起的燃料组件之间水隙变化对反应堆内功率波动具有重要影响．为了研究燃料组件振动和水隙变化行为，根据燃料组件结构及其振动特点建立了燃料组件振动分析模型，并开发了燃料组件振动分析软件FAVA．首先，通过与商用有限元软件Abaqus对比，对燃料组件振动分析模型进行了验证；其次，通过分析燃料组件振动引起的水隙变化，比较FAVA软件计算的燃料组件振动频率与堆芯功率波动频率，说明了堆芯功率波动主要是由燃料组件振动引起的；最后，分析了燃料组件刚度变化对振动的影响．

使用柔性微管液态金属传感器作为应力测量元件，设计制作了一种剪切力传感器．剪切力传感器由弹性聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)杆件、支撑垫片和柔性微管传感器组成．探讨了剪切力传感器的工作原理以及测量元件的传感机制．弹性PDMS杆件受到剪切力作用后变形，使用剪切力传感器对杆件的剪切角进行测量，并将测量结果与灰度重心法测得的参考值进行对比，系统分析了装配间隙δ、微管布置距离L对测量精度的影响．结果表明：当以弹性PDMS杆件为变形体时，剪切力传感器可在0.004 7~0.038 rad的转角范围内进行有效测量；测量误差随着装配间隙δ的增大而增大，随着微管布置距离L增大而减小．所设计剪切力传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，为剪切力的测量提供了一种新的工具．

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．

为了研究混凝土在疲劳与冻融耦合作用下的性能表现，采用疲劳相场法对混凝土的性能演化进行了研究．基于随机骨料投放算法，得到一定面积分数与带界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)的混凝土骨料模型．通过引入热力耦合疲劳相场模型，对混凝土冻融疲劳开裂的全过程进行了数值模拟研究．结果表明：冻融过程中，损伤起始于骨料角点处应力水平最高的界面过渡区；纯冻融条件下，冻融前期损伤发展比较缓慢，后期损伤迅速发展；冻融加疲劳条件下，混凝土耐久性能大大降低，寿命仅为纯冻融条件下的50 %，随着冻融次数的增加，混凝土强度、弹性模量逐渐降低，且降幅增大．

提升雾化喷嘴出口流量可以提高液体出口速度，从而获得更细小的雾滴，增强雾化效果．为了抑制空化效应，获得更大的出口流量，本文通过建立喷嘴内流场的数值模型，对内流场速度、液相体积分数以及湍动能分布等流场信息进行分析．针对空化的产生机理，提出多种改进喷嘴结构的方案：减小喷嘴长度、增加喷嘴倒角和降低壁面粗糙度，有效降低了空化效应，显著增大了喷嘴的出口流量，改善了雾化效果，为喷嘴结构的优化提供了参考．

航改型燃气轮机因其研制基础好、设计周期短、结构紧凑、燃料适应性强等优点，在海上油气平台、船舶动力及管道输送等领域得到了广泛应用．航改型燃气轮机叶片在高温、高压等苛刻环境下工作时，蠕变是其主要失效方式之一．为确保叶片的运行可靠性，通常选用抗蠕变性能较好的镍基合金作为制造材料．该种材料蠕变第三阶段较为明显，占比较高，当前的蠕变损伤本构方程难以精确表征镍基合金蠕变第三阶段的失效行为．针对上述问题，本文提出了一种可合理描述蠕变第三阶段的损伤本构模型，并得到了不同温度下蠕变实验数据的验证．该模型的提出可为航改型燃气轮机高温部件的寿命精准预测和可靠性设计提供较好的理论基础．

锂离子电池电极复合活性材料的开裂和损伤对电池的容量和循环性能具有显著的负面影响．选择合适的粘结剂和材料配方以提高活性材料的粘结强度，对于电池的长期循环使用具有非常重要的意义．然而，复合活性材料在电极尺度的断裂强度非常难以测量．本文提出了一种基于多孔集流体电极剥离实验的定量测量电极复合活性材料断裂性能的测试方法，通过多孔集流体电极剥离实验和无孔集流体电极剥离实验的对比，依据集流体开孔率的不同，获得复合活性材料自身的剥离强度，并进一步通过实验验证了所测复合活性材料剥离强度与集流体开孔几何的无关性．最终，测量了两种商用配方制备的石墨负极剥离强度，通过与相关数据的比较，验证了测量结果的可靠性和本实验方案的有效性．本实验方法可以测量复合活性材料在稳态断裂时的能量释放率，表征材料的粘结强度，对相关的电极材料制备和数值模拟具有重要意义．