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．

相比传统合金，高熵合金中存在的显著原子尺度晶格畸变，赋予其优异的力学、化学和生物学性能，在工程与生物医疗等领域具有广阔应用前景．本文简要综述了高熵合金晶格畸变效应在实验表征、多尺度模拟及力学建模方面的研究进展．晶格畸变量化是该领域的关键问题，为多尺度模拟与力学建模提供了关键原子尺度信息．基于分层多尺度模拟方法，结合分子动力学与离散位错动力学等小尺度模拟，可提取微观结构参数，支撑宏观晶体塑性建模，从而揭示晶格畸变对力学行为的影响机制．进一步考虑原子尺寸失配与剪切模量失配，建立了相应的晶格畸变强化力学模型．

基本解方法是一种边界型强格式的配点型无网格法，采用满足控制方程的基本解作为基函数对目标函数进行拟合，近似解具有高阶光滑性质．该方法离散简单，计算结果呈指数收敛，数值精度极高，在众多科学计算和工程领域中得到广泛应用．由于基本解仅满足齐次微分方程，且在在源点处具有奇异性，该方法需要进一步考虑特解的求解以及构建虚拟边界．本文首先详细介绍了传统基本解方法的基本理论、方法和主要的改进型基本解方法，再基于基本解方法的求解步骤，将非齐次方程的特解处理技术以及虚拟边界源点布置方法等进行归纳总结，并比较了这些技术手段的优缺点，最后对基本解方法的发展进行了展望，为后续复杂问题的应用提供参考．

涡轮叶片的寿命受到疲劳裂纹扩展的影响，频繁启停和高温高压的工作环境决定了残余应力是影响裂纹扩展的关键因素．针对高温燃气轮机运行中涡轮叶片“热点”区域易发生疲劳裂纹扩展的问题，建立了一种考虑残余应力驱动机制的断裂寿命有限元预测方法．该方法基于顺序热力耦合有限元分析，模拟涡轮叶片在热-机械疲劳(TMF)循环中高温蠕变和塑性变形引起的残余应力演化过程；并借助FRANC3D对叶片尾缘高温残余应力集中区引入初始裂纹，结合残余应力场开展裂纹扩展路径及寿命计算．研究发现，尾缘及缘板边缘区域的残余拉应力显著，是裂纹萌生与扩展的主导因素；其中尾缘“热点”区域的裂纹扩展寿命最短，约为29 000次循环．分析表明，初始裂纹宽深比越小，其裂纹扩展寿命越短，且裂纹扩展轨迹与第一主应力方向一致．本文所构建的仿真框架具备良好的工程适应性，可为高温涡轮叶片疲劳寿命预测与优化设计提供有效支撑．

众所周知，采用物理中面法可以消去功能梯度材料板几何方程中的拉-弯耦合，简化弯曲问题的求解．然而，现有物理中面公式的推导采用了泊松比为常数的假设，忽略了泊松比沿着板厚的变化．本文考虑泊松比变化，推导出了材料性质沿着厚度非均匀变化的功能梯度材料Kirchhoff板的广义物理中面，给出了三个位置参数表示的计算公式．由此，将板的应变和等效力矩用弹性曲面的曲率来表示，消去了挠度与面内位移的拉-弯耦合．进一步推导出了薄板静力弯曲的等效弯曲刚度，并通过数值算例定量分析了泊松比常数假设对功能梯度板的弯曲变形预测精度的影响．以陶瓷/金属组分的功能梯度板为例，如果取组分材料的泊松比平均值作为计算常数，则由常数假设下的物理中面导出的等效弯曲刚度，与本文放弃该假设而导出的等效刚度之间的相对误差最大可超过5%．本文给出了比现有文献中更为精确的三参数广义物理中面的位置参数及其等效刚度的解析公式，这对功能梯度材料Kirchhoff板的静动态响应分析具有一定的理论和应用参考价值．

针对热端部件因温度和应力分布不均而导致的低周疲劳寿命难以准确预测的难题，本文提出了一种考虑多参数影响的低周疲劳寿命预测新模型，该模型创新性地引入总应变幅值、弹性应变比、最大主应力及温度等关键影响参数．首先，基于退化模型，对某镍基高温合金多温度点(RT-650 ℃)的低周疲劳寿命进行预测分析，结果表明，在单一温度条件下，相较于传统的Manson-Coffin模型和SWT (Smith-Watson-Topper)模型，本模型预测结果除650 ℃温度点一个离散点落在±1.5和±2倍分散带之间，其余数据点均严格收敛于±1.5分散带之内，预测精度显著提升．其次，通过全局参数优化算法进行多温度场数据融合，结合留一交叉验证法(Leave-One-Out Cross-Validation, LOOCV)和泛化能力测试，验证了模型具有91.9%预测点位于±2倍分散带内的稳健性，且对非试验温度工况及多类工程合金材料展现优异外推能力和适应能力．最终工程验证表明，该模型应用于某小型燃气轮机涡轮盘低周疲劳寿命评估时，预测结果具有良好的合理性，为高温部件低周疲劳寿命评估提供了新的理论方法．

本研究基于相场法构建纤维-界面-基体三相细观模型，研究了钢纤维增强超高性能混凝土(Steel Fiber reinforced Ultra-High Performance Concrete, SF-UHPC)横向拉伸载荷下的裂纹扩展与损伤失效机制．引入有限宽度界面层，模拟了裂纹在界面区域的萌生、偏折及扩展行为，并对比分析了SF-UHPC、钢纤维增强普通混凝土(Steel Fiber reinforced Normal Concrete, SF-NC)及玄武岩纤维增强超高性能混凝土(Basalt Fiber reinforced Ultra-High Performance Concrete, BF-UHPC)在含有初始基体缺陷、含有初始界面缺陷以及无初始缺陷三种情况下的失效模式．结果表明：本文采用的方法可以实现纤维增强水泥基材料基体-界面复杂损伤演化机制的数值模拟．SF-UHPC表现出以界面主导裂纹扩展为主的失效机制，而SF-NC更多的是基体脆性断裂，BF-UHPC则是纤维断裂-界面削弱-基体断裂多阶段的特征．SF-UHPC在三种工况中均表现出最佳抗裂性能和延性，无初始缺陷时，SF-UHPC裂纹仍是从界面处萌生，与界面裂纹模拟结果接近，峰值承载力和断裂位移均最高，峰值荷载分别较SF-NC和BF-UHPC提升210.3%和46.3%，延性提升113.0%和8.89%.

中厚板结构在工程中应用广泛，其极限承载能力评估对保障结构安全至关重要．本文基于一阶剪切变形板理论，提出了von Mises屈服准则约束下中厚板极限上限分析的光滑有限元法．该方法在三角形单元网格基础上构造边光滑域，并在各光滑域内分别对弯曲应变和剪切应变进行独立平均处理．为有效克服剪切自锁问题，引入张量分量混合插值(Mixed Interpolation of Tensorial Components, MITC)技术，在三角形单元的边中点独立插值剪切应变分量．在沿中厚板中面与厚度方向积分获得中厚板塑性耗散功率的基础上，可将极限上限分析问题转化为满足等式约束的耗散功率最小化模型，并进一步表述为标准二阶锥规划形式，利用MOSEK优化求解器实现高效计算．数值算例表明，本文方法能够可靠地给出中厚板的极限荷载乘子上限，且未出现剪切自锁现象．

针对航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔结构，开展了不同应力比下带气膜孔结构试样的疲劳试验，得到了不同应力比下的疲劳极限．绘制了107等寿命下应力比-疲劳强度图，并对数据进行拟合，获得气膜孔结构的极限强度，并得到疲劳强度随应力比的变化关系．将该关系转化为平均应力-幅值应力下107等寿命关系．对不同等寿命方程下的等寿命曲线进行对比分析，揭示气膜孔结构的等寿命规律差异．将其与材料级的107等寿命曲线进行对比分析，厘清气膜孔结构对镍基单晶合金等寿命规律的影响，并从等寿命分析角度提出将孔周近场应力作为气膜孔结构寿命评估的参照值．

各种微型电子元件在发展过程中逐渐对供电的免维护性提出了更高的要求，且用电器所在的环境中存在着天然的振动能量，收集振动能量进行供电是替代传统能源的有效途径之一．目前振动能量采集技术主要集中于粘性阻尼的采集系统，而van der Pol阻尼在电子工程、气动力学、生物学等领域有着广泛的应用，但有关van der Pol阻尼振动能量采集系统的工作少有报道．本文研究了van der Pol阻尼下三稳态能量采集器对于低频外部激励的簇发振荡现象和采集性能．运用快慢分析法，分析了系统的簇发振荡机理，观察到了极限环的分岔．采用数值方法，通过转换相图，验证了系统在不同频率比下的分岔机理．根据系统响应的时间历程，发现了大幅度的簇发振荡和较高的稳定电压响应．最后，计算了系统在不同频率比的外部激励下的平均输出电压，与粘性阻尼系统进行了对比，结果表明van der Pol阻尼下三稳态能量采集器具有更高的采集性能．此外，还比较了不同阻尼对输出电能的影响，并讨论了最优输出功率.

输变电设备的多物理场仿真通常涉及复杂的耦合过程和高维度计算，导致计算成本高、响应速度慢，难以满足实时预测与在线监测需求．为此，本研究提出了一种基于轻量级降阶建模的输变电设备高效预测方法．首先，利用多物理场仿真模型获取设备在不同运行工况下的稀疏物理场数据．随后，采用本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)方法提取系统主导特征模态，实现全阶模型的降阶重构；在此基础上，结合机器学习算法，对降阶特征空间进行非线性映射与重建，从而建立轻量级的降阶预测模型．在典型输变电设备算例中的验证结果表明，该方法可将仿真计算时间由数小时甚至数天缩短至数分钟或数秒，整体计算效率提升数百倍，同时预测误差保持在5%以内．实验结果充分证明了所提出方法在计算效率与预测精度之间的优越平衡．本研究为输变电设备多物理场仿真的轻量化与实时化提供了可行路径，可广泛应用于电气设备的数字孪生、运行状态评估及智能运维，为电力系统的高效安全运行提供了关键的算法支撑．

建立一种能考虑水泥掺量和龄期的水泥土渗透模型，以便定量地估计水泥土渗透系数．通过引入水化程度参数，建立了水泥水化过程的水泥土孔隙率计算模型，定义孔隙构造因子，构造了土体孔隙构造因子与土的塑性指数的幂律关系，通过引入归一化孔隙构造因子，建立了水泥土孔隙构造因子与水泥掺量和水化程度的函数关系，最后以多孔介质孔隙管道流渗流模型为基础，建立考虑水泥掺量和龄期的水泥土半理论半经验的水泥土渗透模型．模型需要土的塑性指数、水泥土的初始含水量和水灰比三个基本参数．通过六种不同水泥土的渗透试验结果对模型进行验证，结果表明该模型能够合理反映水泥掺量和龄期对水泥土渗透系数的影响．研究成果可为水泥土渗透特性的定量分析提供理论依据．

结合非局部宏-微观一致损伤模型(Nonlocal Macro-Meso-Scale Consistent Damage Mode)和统一相场理论的基本思想，本文提出了一种非局部宏-微观一致相变的热力学模型(Nonlocal Macro-Micro-Scale Consistent Phase Transition Thermodynamic Mode, NMMP)，旨在突破传统相场方法中必须同时引入相场变量与温度变量进行双场耦合建模的局限性．该模型将任一点的微观结构抽象为一定范围内以该点为中心的轮毂状分布的键型体系，微观层面上，键的相态转变量由键方向的热流强度准则判定，其中键的临界热流由相态之间的相变能等效标定；宏观层面上，点的宏观拓扑相变量由其所有相连键的相态转变量加权平均获得，在此基础上，基于相变诱导的热导和热容等热学性能的动态适配行为，构建了随宏观拓扑相变量变化相适应的导温系数演化函数．接着，把建立的非局部宏-微观一致相变的热力学模型嵌入到有限元框架中，导出了相应的瞬态温度场有限元列式．通过与温度场-相变场相耦合的数值结果进行对比，验证了本文提出的NMMP模型的可靠性．所提的非局部宏-微观一致相变模型仅基于温度场演化，便于有效捕捉相变过程的热力学行为，为相变行为提供了更高效的模拟策略，也对微观结构的热调控设计提供了理论依据．

索-浮标结构作为海洋工程中的重要设施，其在复杂流场作用下的动力响应特性直接关系到结构的安全与功能．流体拖曳力是影响此类结构动力行为的关键因素，通常采用Morison方程进行描述，该方程依据速度参考系的不同可分为绝对速度模型和相对速度模型．绝对速度模型能更全面地反映流固耦合效应，但其数学表达的复杂性给非线性振动分析带来了挑战；相对速度模型则因形式简洁、计算高效而被广泛应用，然而其引入的近似误差尚需深入探究．本文旨在系统对比这两种拖曳力模型在索-浮标结构非线性动力响应分析中的差异．首先，基于弹性索理论，推导了采用两种拖曳力模型的索-浮标系统非线性动力学控制方程，并通过线性振动分析揭示了系统固有的模态特性，特别是由于参数变化可能引发的Veering现象及其伴随的强模态耦合效应．通过直接数值积分详细对比不同参考系下系统的动力响应，研究结果表明，绝对速度模型中的流速-结构速度耦合项增强了系统阻尼效应，导致其预测的响应幅值通常小于相对速度模型．在模态频率发生Veering现象的强耦合区域，两种模型预测结果的差异会被显著放大，但由于误差的量级关系，对系统整体动力响应的影响有限．因此，研究揭示了在低流速、结构阻尼占主导或对精度要求不高的工程应用中，虽然相对速度拖曳力模型存在一定误差，但其在计算效率上的优势使其可作为一种有效的简化方法．这一结论为索-浮标结构在工程设计中合理选择拖曳力模型提供了理论依据．

风电机组健康监测是保证风机安全运行的重要手段，传统接触式检测技术存在额外负重、安装繁琐等不足．基于非接触式光学检测及数字图像处理(Digital Image Processing, DIP)研究了风机叶片与塔筒位移测量方法．使用HSV (Hue Saturation Value)颜色空间方法提取风机叶片标记点坐标信息，根据计算出相邻叶片角度评判风机叶片变形程度；使用ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征点检测和knnMatch (k-NearestNeighbor Match)特征匹配识别塔筒上感兴趣区域(Region of Interest, ROI)坐标，实现塔筒振动位移的快速测量．此外，使用角度测量仪与数字散斑相关(Digital Image Correlation, DIC)验证上述方法的可行性和精度．

带状弹簧片驱动的柔性铰链能够弹性折叠储存应变能，通过释放所储存的应变能实现自由展开，可用于航天器可展结构的展开/收拢．本文针对带弹簧铰链，完成了结构设计和仿真分析，研究发现铰链弯折中心对铰链的峰值力矩(M_d)和稳态力矩(M^*)会产生一定影响，选择合适的弯折中心可使带弹簧铰链的力矩-转角曲线中出现力矩为零的奇点．此外，根据设计加工制作了铰链实物模型，通过弯折实验测量铰链平衡时的弯折角度，证明带弹簧铰链中的确存在力矩为零的状态，即力矩-转角曲线中奇点所对应的状态，带弹簧铰链在该状态对应的弯折角度下能够保持稳定，从而验证了仿真分析的合理性，也为工程应用提供了设计参考．

本文提出一个统一形式的自由率无关弹塑性模型来模拟金属材料在反复加载-卸载荷载下的疲劳现象．基于欧拉表述的对数客观率所构建的本构方程，能够解决弹性部分不可积分、剪切振荡等问题，其所推导出的应力-应变关系在变形全程可以始终保持光滑连续．新模型将屈服条件和加载-卸载条件作为内部特征包含于本构方程内部，不必额外考虑，从而减少了计算难度，这样的模式更加贴近材料实际的变形行为．以最简单的无硬化情况为例进行推导，得到金属材料在加载-卸载作用下的应力-应变关系．即使应力水平低于通常所说的屈服应力，在变形任意阶段都有可能产生塑性变形和塑性功，这样就能合理解释并预测高周疲劳产生．提出屈服强度随着塑性功变化的规律：当塑性功达到某一临界值，屈服强度接近0，表示材料失去抵抗变形的能力，从而发生疲劳破坏．结果表明，基于新模型得到的结果可以精确匹配和预测实验数据，为金属材料的设计提供了新的思路．

本文同时考虑混凝土的细观结构和界面粗糙形貌，建立新老混凝土梁细观有限元模型，分析其损伤失效全过程．采用随机骨料模型生成混凝土细观结构，其中骨料采用线弹性模型，砂浆和砂浆-骨料界面过渡区采用混凝土塑性损伤模型，新老混凝土界面采用内聚力-摩擦组合模型．通过与平整界面试验结果对比，抗折强度相对误差为2.22%，验证了模型的有效性．分析新老混凝土界面粗糙齿深度（3 mm、6 mm、9 mm和12 mm）和数量（2、4、6和8）的影响，并探讨界面摩擦系数对计算结果的影响规律．结果表明，粗糙齿几何参数对峰值荷载、峰后荷载和损伤演化过程有重要影响，当粗糙齿深度R从零增加到12 mm时，峰值荷载提升54.1%，峰后荷载从零提升至3.91 kN；当粗糙齿数量N从2增加到8时，峰值荷载和峰后荷载分别提升16.4%和122.0%．摩擦系数f对峰后荷载有显著影响，但对峰值荷载和裂纹路径影响有限．

本文采用有限元法，基于单元胞模型研究纳米流控吸能系统的准静态压缩响应及单元胞几何形状的影响．单元胞由疏水纳米多孔材料、水和密封层构成，采用圆柱形、半球形和圆台形三种形状．模拟显示，单元胞压缩响应分三部分四阶段：无液填充纳米孔道弹性压缩（阶段Ⅰ、Ⅱ）、液体渗透纳米孔道（阶段Ⅲ）、充液纳米孔道弹性压缩（阶段Ⅳ）．阶段Ⅰ~Ⅳ的压缩刚度分别取决于密封层变形、液体压缩模量、孔道临界渗透压强和表面积、液体压缩模量．单元胞形状主要影响阶段Ⅰ，阶段Ⅱ，之后影响显著降低．相比于圆柱形，半球形初始压缩刚度低约一个量级，压缩位移高约1.6倍；圆台形初始压缩刚度略高于半球形，压缩位移比圆柱形高约2.5倍．差异源于相邻单元胞的空间约束，圆柱形可变形体积最小，圆台形最大．此外，密封层最大应力对单元胞形状不敏感，差异不超过7%．

轴向可伸缩翼通常被简化为轴向可伸缩悬臂板进行研究．轴向可伸缩悬臂板作为一种复杂的时变结构，其质量、刚度、阻尼具有时变性，相比定长结构，这种结构在复杂外力作用下更易产生大幅振动、颤振而发生结构失稳破坏现象，影响结构的工作精度和使用寿命．因此对可伸缩悬臂板进行动力学建模及稳定性研究至关重要．本文第一次通过瞬态特征值法和刚度矩阵法研究轴向外伸悬臂板的稳定性．首先基于经典层合板理论和Hamilton原理对气动力作用下的可伸缩悬臂复合材料层合板进行动力学建模．然后，采用Galerkin法两阶截断得到带有时变系数的常微分方程．研究板外伸和回收过程中轴向移动加速度、速度对频率和振幅的影响，研究发现轴向移动悬臂外伸板在外伸初始阶段振幅呈现周期变化，当板长度增加到一定程度时，系统周期振荡消失，结构发生发散失稳．本文通过瞬态特征值法研究速度、加速度及板厚对轴向外伸悬臂板的稳定性的影响，并采用刚度矩阵法与其进行对比验证，结果取得良好的一致性，表明了这两种方法的有效性．

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．

为实现材料或结构中的非互易弹性波传播，引入几何非对称微结构是一种简单且有效的方法．本文考虑了含取向一致球割体夹杂的随机压电复合材料，研究弹性波在这种材料中的非互易传播．首先通过积分的转换消除了球割体域内动态格林算子体积平均张量中的狄拉克函数及其导函数，进而运用迭代法数值求解压电复合材料动态有效性质的自洽方程组，通过与实验对比验证了退化的结果，然后分别以波的频率和夹杂形状参数为变量，计算并对比了相同的弹性波沿相反方向传播时的动态有效性质．结果表明，在某些频率范围有明显的非互易现象，且改变夹杂形状时非互易的程度也有所不同，因此在实际工程应用中可以通过合理的微结构设计来实现特定的波动性质，这为压电复合材料中弹性波的调控提供了新的思路．

再生混凝土作为资源化利用废弃混凝土的重要途径，能够有效缓解天然骨料消耗及建筑固体废弃物堆积引发的环境压力．本文基于广义混合规则理论，构建了粗骨料取代率对再生混凝土弹性模量、抗压强度及断裂能的影响模型，并通过多组文献实验数据验证了模型的可靠性．在此基础上，结合相场断裂理论，提出一种适用于变取代率条件下的再生混凝土断裂本构模型，并将其应用于三点弯曲梁破坏过程的数值模拟．研究表明：(1) 所建模型能够精准预测材料力学参数随取代率的变化规律，计算值与实测值吻合度较高；(2) 引入相场方法后，裂纹扩展路径与荷载-CMOD曲线均与实验结果高度一致，证实了该模型在工程结构失效分析中的适用性．

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．

针对正交各向异性层状地基中群桩扭转振动响应分析的复杂性，本研究提出一种高效解析方法．创新性地引入几何相位修正的汉克尔积分变换处理环形桩群波动干涉问题，结合广义传递矩阵法建立桩-土-桩三维耦合动力学模型，推导群桩扭转动力阻抗的频域显式解．该方法揭示了桩间距与土体各向异性参数的耦合机制，建立了覆盖典型工程参数的简化设计公式，计算效率较传统三维模拟提升量级．研究表明：桩间距与排列方式通过调控波动干涉效应显著改变阻抗谱特征；各向异性参数与层间反射耦合共同影响扭矩分配规律．研究成果为滨海沉积地层桩基设计提供理论支撑．

孔洞改变了木梁弯曲时的应变和应力分布，难以准确预测含孔洞木梁的中性轴位置、评估木质结构的健康状态．为此，本文基于平截面假定和理想梯形应力分布模型，提出用于计算无疵孔梁和含孔洞木梁中性轴位置的预测模型，并采用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术对木梁进行了四点弯曲试验，验证中性轴位置预测模型的准确性．当载荷水平为Fmax/3和2Fmax/3时，理论预测结果与四点弯曲试验结果之间具有良好的一致性．在极限载荷时，木梁底部的最大拉应变超过弹性极限拉应变，受拉区开始出现塑性变形，导致理论预测结果与试验测试结果的相对误差明显增大．本研究提出的理论计算模型能够较好地预测无疵木梁以及含孔洞木梁的中性轴位置，将为基于中性轴位置的木质结构健康监测提供理论依据与试验支持．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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 %．

本文提出了一种基于减缩高斯积分的等几何多尺度拓扑优化方法，用于宏观和微观结构的协同优化设计．多尺度协同拓扑优化方法能够有效扩大设计空间，得到更加理想力学性能的轻量化结构．同时，本文采用了一种减缩高斯积分方法，该方法通过减少积分点数量降低计算复杂度，提高计算效率．最后通过几个标准算例表明，与传统方法相比，采用减缩高斯积分方法的计算效率提高了77 %以上，并且验证了等几何多尺度拓扑优化的有效性和光滑性．