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．

疲劳寿命预测对金属材料与结构的安全至关重要．机器学习(Machine Learning, ML)模型在此领域展现出强大的预测能力，但其“黑箱”特性限制了模型的可靠性、可信度以及在工程实践中的应用．可解释机器学习(Explainable Artificial Intelligence, XAI)为打开ML“黑箱”提供了关键技术．本文旨在系统梳理XAI在金属疲劳寿命预测领域的应用现状，针对当前研究中解释性方法应用多样但缺乏系统分类的问题，提出将现有方法归纳为“后处理解释”和“内置可解释设计”两大类．本文概述了这两类方法的关键技术及其在疲劳寿命预测中的具体应用实例，探讨了模型解释方法的局限性及当前面临的技术挑战，并对后续研究中的机遇与挑战进行了展望．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

由于现代飞机对安全和轻质提出了更高要求，因此需不断研制高强轻质材料．本文研究了一种超高强钛合金，其拉伸强度达1 300 MPa．为了使其应用于飞行器的关键连接结构，需获得该钛合金耳片的拉伸强度计算公式和方法．然而，目前不清楚《飞机设计手册》的耳片拉伸强度计算公式是否适用于该材料，也未知该钛合金耳片的拉伸破坏机理．因此，本文设计了不同钛合金耳片，通过开展不同方向的拉伸破坏试验，得到不同耳片在不同作用方向下的拉伸破坏载荷，验证和修正《飞机设计手册》针对钛合金耳片拉伸强度计算公式，开展钛合金耳片受拉伸下的弹塑性有限元分析，结合试验结果，揭示该钛合金耳片拉伸破坏机制．

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．

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．

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．

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．

针对非受限约束结构中E44环氧树脂的固化过程和力学行为进行研究，采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器实时监测树脂在薄壁筒灌封结构的温度和应变．基于固化动力学、热传导和粘弹性模型，推导固化性能参数及应力松弛函数，为环氧树脂固化行为的数值模拟提供必要的输入数据．研究目的是构建一个考虑残余应力和温度效应的环氧树脂灌封结构有限元仿真模型，通过与实验测得的温度和应变变化数据进行对比，验证该模型的准确性与有效性．结果显示两者温度误差最大不超过10 %，应变的最大误差不超过30 %，充分证明了分析方法和有限元模型的可靠性．该研究为高低温循环条件下环氧树脂的开裂和界面脱粘提供了测试表征方法及理论支持．

利用变角度铺层的复合材料变刚度层合板拓展了结构设计空间，屈曲强度和刚度等力学性能也得到提升．然而，当前普遍采用的单目标优化方法通常无法实现多个力学性能的协同优化．因此，本文针对变刚度层合板的多目标优化问题，提出一种基于均方差(Mean Squared Error, MSE)和期望改进(Expected Improvement, EI)准则的主动学习Kriging模型优化方法，通过以B样条曲线表征纤维路径的变刚度层合板优化算例验证其有效性．相较于基于梯度下降的变刚度优化方法，基于Kriging模型的变刚度复合材料优化方法计算效率大幅提高．最后提出了结合Kriging模型和多目标粒子群算法的变刚度层合板多目标优化框架，最终的Pareto解集包括一个屈曲因子与±45°层合板的屈曲因子相当的设计，但柔度降低了87 %．