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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

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．

准确测量瓷砖胶粘结层剪切强度对有效预防瓷砖脱落至关重要．本文首先改造常规拉力试验机，设计出一种基于单搭接接头的剪切测试装置，开展不同厚度瓷砖胶粘结层的剪切强度测试试验，结果表明：接头破坏模式均为粘结界面脱粘开裂破坏，无瓷砖胶内聚破坏；瓷砖胶层厚度越大，粘结层剪切强度越低．建立数值模型计算分析发现，单搭接接头剪切时会产生附加弯矩，导致纯剪变为拉剪，从而产生试验误差，且瓷砖胶厚度越大，剪切时因附加弯矩产生的误差越大．为消除附加弯矩对剪切测试结果的影响，本文改进剪切试验装置，通过双搭接接头对称加载的方式，有效避免因附加弯矩产生的试验误差，提高瓷砖胶粘接层剪切强度测试结果的准确性．