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．

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．

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．

本文研究了分数阶粘弹性Pasternak地基上含多裂纹Euler梁的自由振动问题．首先，引入分数阶导数概念，建立粘弹性Pasternak地基模型，推导出地基应力-应变本构的复模量以及地基反力．其次，将裂纹等效成无质量扭转弹簧，借助于裂纹能量释放率和应力强度因子的关系，推导出梁的局部柔度．然后，基于传递矩阵方法，建立含多裂纹梁的分段传递矩阵进而得到总体传递矩阵．最后，基于梁的边界条件，建立求解裂纹梁的复固有频率及振型的线性代数方程组，数值求解得到含多裂纹梁的固有频率及振型．以含双裂纹的两端简支Euler梁为例，数值计算了复固有频率和振型．并基于曲率模态分析裂纹位置对复固有频率和振型的影响．数值结果揭示了粘弹性地基的分数阶系数、粘性系数以及裂纹位置和裂纹深度对复固频率和振型的影响规律．

本文系统介绍了可压缩圆柱绕流的研究进展．可压缩圆柱绕流是空气动力学、热力学等领域众多工程问题的简化模型．研究其流动特性及影响因素对解决实际工程问题具有现实意义，对可压缩流体力学的理论发展具有推动作用．本文根据来流马赫数范围，对可压缩圆柱绕流近年来的研究成果进行了总结，涉及中低亚声速、跨声速及超声速三个马赫数范围内的研究成果，包含了马赫数效应、激波结构、激波与涡旋的相互作用以及流动控制手段等方面．最后，本文对今后的研究进行了展望．

金属材料往往在轧制方向和横向会表现出不同的力学行为和疲劳特性．本文针对6061铝合金，通过平行于轧制方向(Rolling Direction, RD)和垂直于轧制方向(Vertical to rolling Direction, VD)进行取样，开展了系列单轴拉伸试验和应力比R分别为0.1、0.3和0.5的裂纹扩展试验研究．结果表明6061铝合金材料RD和VD试样拉伸性能无明显差异，但疲劳寿命相差30 %，RD试样裂纹扩展速率高于VD试样．通过扫描电镜断口分析发现，在稳定扩展区域R = 0.1工况下RD试样条纹宽度比VD试样高25 %，在R = 0.5工况下高50 %，在失稳扩展阶段可在断面观察到链状夹杂物，导致裂纹扩展加速．此外，论文利用Abaqus软件采用XFEM分析技术，分别得到两试样裂纹扩展路径和寿命，与试验结果具有很好的一致性．

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 %．

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．

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．

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．

针对航空发动机外部管路系统敷设优化设计问题，以发动机外部典型管路——Z型管路为例，采用灵敏度分析结合优化设计的方法，提高了管路的结构优化设计效率．本文首先以Z型管路的几何尺寸为基本参量，进行了管路固有频率和共振动应力的灵敏度分析．而后基于灵敏度分析结果，筛选基于方差的总灵敏度指标较大的参量作为优化参数，利用有限元软件得到了优化设计结果．最后通过管路振动试验，验证了优化结果的有效性．该研究通过灵敏度分析删选优化参数，大大降低了后续优化设计的计算量，通过避开共振点、降低共振应力的Z型管管型优化，验证了提出方法的有效性，该方法为发动机外部管路优化设计提供参考．

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．

为了获得在给定力学约束下最轻质量的螺旋筋网格圆锥壳结构，本文给出了圆锥壳面上筋条等刚度线的解析形式，并通过参数化有限元建模与支持向量机回归（Support Vector Regression, SVR)方法结合NSGA-Ⅱ算法获得了最轻质量的结构参数．结果表明，基于SVR方法建立的代理模型对于螺旋肋网格壳结构的临界屈曲载荷的预测具有良好的可靠性．应用NSGA-Ⅱ结合参数化有限元建模方法可以有效分析结构的最轻质量参数．算例分析表明，采用等刚度设计的优化结构相较于传统短程线设计结构在减重上有了较大提升．

聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)材料是增材制造领域广泛使用的一种材料，虽然目前对PLA材料力学性能的研究较多，但大多采用应变电测等传统接触式方法，这些方法存在难以适用于复杂环境、操作繁琐等问题．本研究将采用基于双斜方棱镜和数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)的非接触式光学引伸计对3D打印PLA试样的拉伸力学性能进行测试．通过PLA试样标准单轴拉伸试验，得到基于光学引伸计方法的应变测量结果，以及弹性模量、泊松比、强度和延伸率等力学性能参数，且与修正后的电测方法相比，弹性模量与泊松比测量误差仅有0.12 %和0.34 %．实验结果表明非接触式光学引伸计在精度方面达到了较高水平，展现了其在复杂环境下进行材料性能测试的巨大潜力．

传统的蠕变本构关系一般是针对瞬态、稳态和加速蠕变三个阶段中的一个阶段给出的，幂蠕变是最常见的稳态蠕变本构关系．然而对于实际高温合金结构，其一个工作周期内的蠕变过程，往往是瞬态、稳态和加速蠕变三个阶段混合在一起的，并不一定会出现稳态蠕变占支配地位的阶段．因此从应用的角度看，需要一种不受常规蠕变三阶段区分限制的，可以适用于整个工作周期的长程蠕变本构关系．本文对高温合金FGH4095在530 ℃、600 ℃及700 ℃三种温度下进行了蠕变试验，采用分段表征的修正θ-projection法，给出了长程蠕变本构关系的具体形式．该本构模型包含5个状态特性参数，它们是温度及应力水平依存的．为便于实际应用，本文通过几种不同温度、不同应力水平下的蠕变试验，得到了特性参数与温度、应力的拟合关系式．

研究弹性无缘轮沿斜面半被动行走的动力学建模和控制问题．首先基于弹簧负载倒立摆模型，利用拉格朗日方法建立弹性无缘轮的动力学模型；其次采用反馈线性化的思想设计控制器，通过控制弹性腿的长度，缩小弹性无缘轮行走误差，实现稳定的周期行走；最后，在理论研究的基础上进行了仿真实验，验证了基于变腿长的控制策略在外部干扰和自身参数误差的情况下的控制效果，同时在仿真实验中发现，相同的外部扰动作用在单、双支撑不同阶段会产生不同的影响，分析了产生这种差异的原因．仿真结果表明：基于变腿长设计的控制器能够实现弹性无缘轮沿斜坡的稳定行走，同时能对来自外界的干扰进行有效抑制，使弹性无缘轮迅速恢复到周期性稳定行走状态，并且在弹性无缘轮自身参数有误差时仍具有相当的鲁棒性．

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．

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．

悬空二维材料由于其纳米级的厚度，在制备过程中极易产生拉伸失稳褶皱，然而褶皱对二维材料的压痕响应影响通常被忽略．本研究采用理论分析方法，研究二维材料所含褶皱对其弯曲压痕响应的影响，并进一步提出了含褶皱二维材料弯曲压痕响应分析模型．研究发现，在中心集中力作用下，含褶皱二维材料的弯曲挠度和载荷呈线性关系，其线性斜率与褶皱幅值与波长的比值A/λ成正比，当A/λ = 0.01~0.05时，其斜率为无褶皱薄膜结果的1.32~3.21倍，因此，忽略薄膜褶皱的影响，将导致通过弯曲压痕测试获得的二维材料弹性模量明显高估（达3.21倍）．二维材料弹性模量被高估的原因为褶皱增强了二维材料的整体抗弯刚度，进而提高了用来拟合弹性模量的压痕载荷位移关系斜率．

本文提出一种新的耦合型塑性损伤本构模型，用来预测不同应力状态下高强钢的损伤断裂行为．所提出的本构模型考虑了应力三轴度和Lode参数对损伤的影响，仅通过光滑拉伸和剪切试样就可完成参数标定，并实现了对紧凑拉伸断裂试样裂纹萌生与扩展的预测．研究发现，高强钢的临界损伤值是恒定的材料属性，与应力状态无关，可作为材料裂纹萌生的断裂准则，在该准则下可准确预测试样断裂应变．此外，损伤断裂受应力三轴度、Lode参数和塑性应变的共同影响，导致不同试样的起裂位置有所差异．

开展起落架运动机构可靠性分析对保障飞机正常起飞降落起到至关重要的作用．为提高非精确概率条件下起落架运动机构的可靠性分析效率，发展出一种非精确概率方向抽样法．首先，对所建立的起落架多体动力学仿真模型进行参数化处理，考虑输入变量含区间分布参数的情形，依据工程实际建立极限状态函数，形成可靠性分析模型；其次，将非精确概率随机模拟方法与方向抽样法相结合，推导各分量函数的表达式及估计误差，形成非精确概率方向抽样法，改善当前方法在高度非线性极限状态面情形下计算效率偏低的问题；最后，通过数值算例验证所提方法的有效性，并采用所发展方法对起落架运动机构重要分量的失效概率变化曲线进行计算分析，为提高非精确概率情形下的可靠性分析效率提供了一种新的思路和方法．

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．

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．

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．

为提升方箱式浮式防波堤的稳定性和消浪效果，本文发展了一种组合型浮式防波堤，并基于计算流体动力学方法，采用黏性流体理论，建立了二维数值水槽，以组合型浮式防波堤为研究对象，并通过与方箱式浮式防波堤进行对比，重点探讨了系泊方式和波参数对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能的影响．此外，对浮式防波堤周围水体的涡量分布情况进行了分析，揭示了其波浪能量耗散机制．研究结果表明，组合型浮式防波堤对波浪的耗散能力远高于方箱式浮式防波堤，其主要通过能量耗散衰减波浪．相比于方箱式浮式防波堤，组合型浮式防波堤的整体运动响应较小、消浪能力较强，且系泊方式对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能影响较小．然而，当入射波高增加时，系泊方式对其消浪性能有较大影响．研究结果可为浮式防波堤的优化设计和实际工程应用提供参考．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

燕尾榫是航空发动机中重要的连接结构，其装配精度直接影响整机的性能和稳定性．然而，叶盘燕尾榫结构服役于高温高压高转速的极端工作环境，其装配界面会发生弹性或塑性接触变形影响几何偏差的传递．为探究燕尾榫界面接触对结构偏差传递的影响机制，首先，本文简要介绍了基于雅克比旋量模型的串联结构偏差传递分析方法．其次，基于奇异积分方程的数值解法实现了非对称平压头接触的界面接触力学分析，构建了界面传递等效旋量．在此基础上，利用最小势能原理将界面接触变形纳入偏差分析中，提出了考虑界面接触的燕尾榫结构局部并联偏差传递建模方法．最后，以燕尾榫结构为例，将提出的方法与传统方法进行对比，验证了提出方法的可行性和准确性，并研究了不同转速和风压下界面接触对燕尾榫偏差传递的影响．研究结果证明了燕尾榫界面接触变形对结构偏差传递的显著影响，并为其他机构的偏差传递分析提供了一种可行方法．

有限元方法中的TL列式(Total Lagrangian Formulation)和UL列式(Updated Lagrangian Formulation)是分析索结构的两种主要方法，它们基于不同的运动参考状态，在理论推导和求解算法方面也有所差异．尽管两种列式在索结构分析中都有较好适用性，但对于二者在具体应用中的差异和适用场景的对比分析却相对缺乏．本文基于能量变分计算，推导了两种列式下的索单元切线刚度表达式，并对比分析了各自列式下非线性平衡方程的迭代策略差异，最后通过具体算例，证明了对于仅涉及几何非线性的索结构分析而言，二者能得出一致的分析结果，并指出：TL列式相比于UL列式，概念简单且求解算法简洁，在仅涉及几何非线性的索结构分析中有明显优势．

颗粒材料的接触摩擦系数与加载速率效应对颗粒材料系统的抗剪强度有重大影响．为此，采用离散单元法模拟了颗粒材料在柔性边界条件下的双轴压缩试验，分析了不同加载速率和摩擦系数组合下的颗粒材料宏观力学特性．并基于颗粒材料的“率态剪切强度理论”模型，进一步研究了加载速率与摩擦系数对颗粒材料系统“旋转滑移比例”和剪切强度的影响规律．结果表明，率态剪切强度理论模型从本质上揭示了颗粒材料体系的宏-细观之间的联系，可以较好地描述颗粒材料系统宏观剪切强度；颗粒材料系统的剪切强度随加载速率增大而提高，但存在临界值，当加载速率低于该临界值时，加载速率效应可以忽略；试样的剪胀性与滑动摩擦系数密切相关，颗粒形状的不规则性可以在保持试样剪胀性一致的同时，显著提升抗剪强度；剪切带内的颗粒旋转滑移比例同时受到加载速率与摩擦系数的影响，且对滑动摩擦系数变化的敏感性较高；“参考速度”与旋转滑移比例变化趋势相反，随加载速率增大、摩擦系数减小而显著增大．通过建立颗粒旋转滑移比例、加载速率与广义摩擦系数的定量关系，可为进一步研究颗粒材料率效应强度提供理论指导．

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．

研究了空间机器人在轨组装空间桁架操作的抑振阻抗控制问题．首先，利用Lagrange方法建立了载体姿态受控形式的空间机器人系统动力学模型；通过对系统进行动力学分析，推导了相应的机械臂末端和桁架插头在基连坐标系下的运动雅可比关系；结合阻抗控制原理，根据插头位姿与其输出力之间的动态关系建立了二阶线性阻抗模型．然后，设计了标称PD (Proportional Derivative)的控制器，并引入滑模变结构控制器来实现对建模不确定项的精确补偿，以提高力/位的控制精度．考虑滑模控制器固有的抖振，结合模糊控制原理，采用将滑模面作为输入，补偿控制增益作为输出的控制方案来提高抑振效果．该控制策略不依赖滑模面微分信号，计算量少，鲁棒性强，且无需复杂的模糊专家规则库．通过Lyapunov原理证明系统是一致渐进稳定的．基于Matlab仿真结果分析，验证了所提控制策略的有效性和抑振性能．

部分实验发现，对锂离子电池在充放电过程中施加一定外部压力可以提高循环性能，但压力是如何影响活性颗粒的断裂机理仍有待探究．对锂电池施加的外力往往会以两种形式传递到电极颗粒上：一种是通过电池密闭空间中的气体和液体的压缩均匀传递到活性颗粒表面；另外一种是通过电池外壳作用在电极材料上，并通过粘结剂传递到活性颗粒上．本文基于有限离散元(Finite-Discrete Element Method, FDEM)建立了有限变形下的扩散诱导断裂模型，分析三元正极多晶颗粒在嵌锂扩散过程中受外加压力作用时的断裂行为．数值结果表明，对于两类外力传递模型，较小的均布压力都无法将颗粒中心的拉应力降低到不开裂的水平，仍有少量中心裂纹出现；而较大的均布压力使活性颗粒内部的最大主应力变为压应力，对活性颗粒内部结构完整的保持有更好的效果．增加外加压力的大小会使活性颗粒由扩散诱导产生的拉应力全部转化为压应力，避免了拉应力导致的裂纹，抑制了活性颗粒在锂化过程中的裂纹扩展．

考虑孔隙的影响，建立了预测复合材料构件残余应力的数值模拟计算理论模型，在理论模型中引入孔隙变量来描述材料特性的变化．基于粘弹性固化残余应力本构，采用顺序耦合和完全耦合两种热力耦合数值模拟方法来预测复合材料构件变形和残余应力的演变趋势．通过与实验对比，验证所建模型的正确性及有效性，重点研究耦合方式之间的差异性和孔隙的影响趋势．结果表明：顺序耦合较完全耦合模拟方法计算效率更高，粘弹性模型对复合材料构件的固化残余应力预测准确，孔隙含量对固化变形有明显的降低趋势．

为研究煤岩体损伤演化过程中能量的转化机制，以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象，利用HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器，采用非接触式数字图像处理技术开展了不同应力路径及围压下三轴加载试验．研究结果表明：(1) 不同应力路径及围压下三轴加载过程中煤岩损伤能量演化可分为压密、弹性与脆性跌落3个阶段；(2) 试件在不同加载路径与不同初始围压下各阶段能量值相差较大，表现为在同一初始围压下，常规三轴加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量均大于三轴循环加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量；(3) 三轴加载过程中，不同加载路径下试件轴向应变从压密到破坏阶段表现为整体波动与局部集中→局部集中→局部集中→整体波动与局部集中的发展规律；(4) 不同加载路径及围压下破坏阶段试件的应力集中不同，常规三轴加载路径下破坏阶段试件的应力集中在低围压下以新生应力集中为主、高围压下以继承应力集中为主，三轴循环加载路径下破坏阶段试件的应力集中在高、低围压下主要以继承应力集中为主．

采用三点弯曲实验和有限元仿真方法，对多级加筋面板的变形和破坏进行分析．引入正六边形和内凹六边形两种加筋模式，将具有不同横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化的直角边界及二级加筋结构的加筋面板作为研究对象，分析在给定加筋面板几何参数的情况下，横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化处理、二级加筋结构对加筋面板结构强度和力学行为的影响．研究表明，加筋面板结构强度随着横纵向加筋肋壁厚的增加而增加，纵向加筋肋壁厚对加筋面板结构影响较大；内凹六边形加筋模式较正六边形加筋模式的加筋面板承载力高；圆弧倒角优化后可以明显改善边角处的应力集中现象、提升加筋面板的结构强度；二级加筋面板的承载能力得到明显提升，且次级加筋层胞元为内凹六边形时提升效果最明显．