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．

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．

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．

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．

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．

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．

锆合金因其优异的力学性能与耐腐蚀性能，被广泛应用于核反应堆燃料包壳等关键领域．然而，在核辐照作用下，其内部会形成孔洞，从而显著影响材料的力学性能与服役安全性．本文基于晶体塑性有限元法(Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM)，建立并实现了一种适用于六方密排（Hexagonal Close-Packed, HCP)结构锆合金的率相关晶体塑性本构模型，并通过在Abaqus平台编写UMAT子程序实现数值求解．采用包含球形孔洞的锆合金单晶代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)模型，系统研究了不同加载条件（单轴与双轴拉伸、压缩）下的宏观力学响应与微观孔洞演化规律．结果表明，孔隙率对锆合金的强度与损伤演化具有显著影响：在单轴拉伸下，孔洞扩张导致材料出现明显软化效应；而在单轴压缩下，孔洞收缩引起几何硬化效应，使流动应力随变形持续增加．此外，晶体初始取向对宏观各向异性行为具有决定性影响——当拉伸方向由〈a1〉轴转向〈c〉轴时，材料表现出更高的屈服强度与弹性刚度．进一步研究发现，多轴应力状态会显著改变孔洞的演化特征：双轴拉伸加速软化失效过程，而双轴压缩则强化硬化效应．该研究揭示了孔洞演化、晶体取向与加载路径对HCP锆合金力学行为的耦合影响，为复杂应力条件下的结构安全评估与性能优化提供了重要理论依据．

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%.

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．

聚合物及其复合材料凭借优异的力学性能与高度可设计性，广泛应用于各传统工程及新兴领域．但在材料服役中常暴露于湿热、化学腐蚀、电磁辐射、循环机械载荷等复杂多场耦合环境，易诱发性能退化、各向异性损伤演化等非线性行为．本文首先梳理几类经典聚合物本构模型，剖析其优势与局限；其次聚焦多场耦合下聚合物及其复合材料损伤本构研究进展，阐述模型建构思路、损伤内变量定义、损伤演化微-宏观机制及耦合效应定量表征方法，重点分析连续介质损伤力学在描述多场耦合与跨尺度损伤行为的优劣势；最后展望未来损伤力学的重点研究方向，为相关领域理论突破与工程应用提供参考．

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．

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．

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.

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．

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．

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．

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．

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．

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．

低维纳米复合材料凭其轻质及优异的力学特性，已广泛应用于固态电池及航空航天等领域．然而，在实际工程中该类复合材料常面临复杂工况，表现出显著的多场耦合与多尺度力学特征．本文聚焦于低维纳米复合材料的多场耦合力学行为，从实验表征、理论建模及数值模拟三个维度，系统综述了晶粒尺寸相关弹塑性损伤力学、温度相关粘弹性力学以及温度相关粘塑性损伤力学的研究进展．重点阐明了如何通过多尺度模型建立温度效应、位错机制、界面效应及微结构演化等微观机制与宏观多场耦合特性的内在联系．最后，梳理了低维纳米复合材料多场耦合力学领域当前的挑战，并对未来研究方向进行了展望．

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%．

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．

针对复合材料涡轮叶片在复杂服役环境下的力学响应和结构设计问题，本文参考某高温合金涡轮转子叶片，开展了基于工艺、结构和性能的SiCf/SiC复合材料涡轮叶片一体化设计．首先，建立了叶片–涡轮盘三维有限元模型，对离心载荷、温度载荷及气动载荷共同作用下的整体叶片进行耦合分析，系统评估了叶片的应力分布与变形特性．而后，提取真实工况下榫头区域的载荷分布特征，并将其等效到榫头局部分析模型．结合SiCf/SiC复合材料的成型工艺特点与纤维连续性要求，提出多种榫头铺层结构改进方案，建立了榫头区域局部细观有限元模型，通过对不同铺层结构中径向应力和层间剪应力分布特征的对比，优选出交错插层榫头铺层方案，结果表明该方案能够有效提高叶片结构的强度储备系数，并降低榫头区域的层间剪应力水平．

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．

疲劳破坏是工程结构中最为常见且危害性极大的失效形式之一，传统的疲劳预测方法中损伤变量的选取往往具有较强的唯象性，缺乏物理机制的探讨，需要进一步的研究．本文从材料的能量演化特征分析出发，通过构建热力学自洽的本构方程计算出材料受到外载作用下实时的机械耗散率．根据耗散具有非负的特性，用之表征损伤的累积，通过一套不含损伤内变量的本构模型，在描述材料应力应变演化的同时量化损伤，预测寿命．以TA19钛合金为研究对象，基于四种不同孔径的片状试件(Bore Hole Plate Specimen, BHP)，在535 MPa、应力比10∶1的非对称三角波载荷下开展了系统的有限元模拟与实验对比．结果表明，本文方法不仅能够准确捕捉缺口根部的应力集中与塑性演化过程，而且其预测的疲劳寿命与实验数据高度吻合，误差控制在工程可接受的两倍分散带范围内．此外，模拟结果还揭示出机械耗散在疲劳过程中呈现单调递增的趋势，进一步验证了其作为损伤度量的合理性与稳定性，为疲劳损伤量化分析与寿命预测提供了一种新型思路与方法．

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．

在旋转Rayleigh-Bénard对流系统中，对流旋涡作为流动的基本单元，其相互作用主导了系统的输运特性．本研究结合实验观测与统计分析，揭示了旋涡分布随约化瑞利数Ra/Rac的减小，从无序随机态向超涨落态的动力学转变．基于密度涨落的分析表明，在强旋转约束下，系统涌现出显著的巨数涨落特征，幂律指数显示其超越了随机泊松分布．静态结构因子 S(k) 的计算结果显示，旋涡虽在全局上缺乏长程周期性，但在局域尺度上呈现出与六方晶格高度吻合的有序排列模式．进一步的空间关联函数与旋涡团块统计分析发现，旋涡间的流体相互作用与位阻效应诱导了局部各向异性，促使具有自相似特性(L ~ N0.65)的大尺度旋涡团块形成．这种团块结构的长程关联被证实是系统产生超涨落现象的物理根源．本研究阐明了对流旋涡分布的复杂统计特性，为理解湍流对流中自组织结构的集体行为提供了新的物理视角．

张拉整体机器人凭借其轻质、可变形以及优越的结构适应性，在行星探索、灾害救援等领域展现出广阔的应用前景．现有针对张拉整体机器人驱动控制策略的研究中，主要基于最少个数的绳索驱动设计原则．即在机器人驱动控制设计过程中，如果仅收缩单个绳索即可实现运动，则优先收缩该绳索，而不驱动其他绳索．这就导致了因为需要收缩绳索的长度很大，而引起机器人驱动控制的响应时间变长，使得机器人在移动时运动效率低下，限制了其工程应用．为此，本研究以三杆张拉整体机器人为研究对象，基于力密度法，对张拉结构的几何构型与静力平衡特性进行了系统建模，分析了其受力-变形的响应关系．进一步，利用重心偏移的滚动判定方法，设计了遍历搜索算法，提出了基于多绳索协同驱动的控制策略，实现单个绳索收缩量的减小，从而降低机器人在运动变形过程中的结构变形幅度，实现了驱动控制响应时间的显著缩短．最后，研制了基于ESP32控制系统的三杆张拉整体机器人实验平台，并通过原型实验验证了所提出策略的有效性．结果表明，相较于最少驱动绳索运动控制策略，多绳索协同驱动模式能够显著降低变形幅度，减少响应时间．

在制备陶瓷基复合材料的先驱体浸渍裂解(Precursor Impregnation Pyrolysis, PIP)工艺中，浸渍过程的效率受到先驱液的黏度影响，黏度取决于浸渍温度、先驱体溶质质量分数和剪切速率．本文基于阿伦尼乌斯形式建立了一个考虑温度、溶质质量分数和剪切速率的五参数先驱液表观黏度模型．选取混入陶瓷微粉和不同溶剂类型的聚碳硅烷(Polycarbosilane, PCS)先驱液进行参数标定和模型验证，分析了先驱液黏度对温度、剪切速率和PCS质量分数的敏感性．在该黏度模型基础上推导了毛细管内先驱液浸渍深度与溶质质量分数、温度和浸渍时间的关系．研究表明，该模型能够有效定量分析黏度的影响因素，并为浸渍液配比和工艺条件的优化提供理论依据．

矿物尺度的损伤演化决定了岩石材料的宏观力学行为．采用Voronoi多边形表征岩石的矿物，通过界面模型描述矿物界面的削弱效应，在弹塑性相场法的框架下开发了矿物尺度的损伤模拟方法，并对花岗岩的三轴压缩试验进行模拟验证方法有效性．基于多尺度能量传递定理，提出一种矿物尺度的能量统计分析方法，通过矿物颗粒应变能密度的积分定义岩石的宏观损伤变量，从矿物颗粒能量演化的视角探究岩石的损伤机理．结果表明：应变和应力集中会导致矿物颗粒应变能密度的数据分布具有右偏性，通过对数正态分布可以很好地描述矿物颗粒应变能密度的数据分布；矿物应变能密度对数正态分布的均值参数可通过宏观均匀化应变能密度以及方差参数确定，且方差参数随着宏观损伤变量近似线性增长．

本文研究了分数阶黏弹性地基上开敞圆柱壳的自由振动问题．引入分数阶黏弹性标准线性固体地基模型，建立该地基上开敞圆柱壳的自由振动方程．基于一维欧拉梁和圆拱曲梁模型，构造开敞圆柱壳的振动模态近似解．基于复频率假设模拟黏弹性地基诱导的振动衰减．通过数值算例将本文方法与文献进行比较，验证了本文方法的可行性，并讨论了分数阶黏弹性地基的分数阶系数和黏性系数对圆柱壳固有频率和衰减的影响规律．

水下壳体的声振特征对于掌握振动传播与声辐射机理至关重要．传统的频域分析方法，能够通过准确建立模态贡献量与线谱噪声的定量关系以实现深度揭示水下结构声辐射的物理机理，受到持续广泛的关注，但壳体内结构弹性波与声辐射特征的内在联系及其物理机理尚不清晰．本文以典型水下壳体结构为例，将声振系统有限元法与空间傅里叶变换法结合，提出了壳体结构弹性波及其辐射亮点的波数域分析方法．通过不同基座形式的结构典型算例，揭示了结构对称性对弹性波波数域中辐射亮点特征的影响，进一步基于空间波数谱与壳体法向振速、远场辐射波、声功率等建立了频域与波数域对应关系．研究结果表明提高基座对称性有助于降低组合壳体结构的声辐射水平，可为后续结构优化设计提供全新的理论支撑．

分层作为复合材料层合板的典型不可见损伤，会影响结构性能与安全性．然而，由于微小初始分层对结构刚度影响微弱，使用传统线性动力方法对其进行成像检测具有较大难度．另一方面，在振动过程中分层会发生类似“呼吸”的张开—闭合运动，导致其界面发生接触和分离，引发层间正应力和切应力的非线性特征．本文将上述分布于“呼吸”分层界面的应力定义为非线性界面应力，其仅存在于分层区域内，并且可分解为各阶高次谐波频率下的一系列成分．此基础上，本文提出了一种基于非线性界面应力的层合复合材料板分层成像方法．通过各阶高次谐波下的非线性稳态波场重构非线性界面应力幅值，利用其局部化特性构造了一种适用于微小分层非线性动力成像的分层指标．实验研究结果表明，本文所提的分层成像方法不仅适用于面积较大的热分层，还可精确刻画由初始缺陷或低速冲击引起的微小分层．

本文基于经典层合板理论，借助等几何分析法和有限胞元法，针对不同开孔形状、开孔尺寸和开孔数量的变角度复合材料多孔层合板的屈曲问题进行了研究．并与现有文献或有限元结果进行对比，验证了此方法处理变角度复合材料多孔板屈曲问题的收敛性和正确性．进一步，对多种边界条件和纤维路径下含单孔或多孔的变角度纤维复合材料层合板进行了参数化屈曲分析．结果表明，合理的纤维铺设角度可以显著减少由于开孔造成的屈曲性能损失．

在实际应用中，平板式浮体结构会受到风浪、海流等复杂海洋环境的挑战，其运动稳定性有待进一步提高．为此本文改进了一种带垂直挡板平板式浮体结构，计算了其与波浪的相互作用，并重点研究了不同挡板、浮体几何参数以及波周期对带垂直挡板平板式浮体结构的运动响应，并将带固定式与铰接式垂直挡板平板式浮体结构进行对比．研究表明：增加挡板高度能够有效减少短浮体的垂荡和纵摇运动．当垂直挡板位于浮箱末尾时，其垂荡和纵荡运动最为稳定，同时纵摇运动达到最大．此外，涡流耗散可减少波浪对短浮体垂荡和纵荡运动的影响．期望研究成果能为工程设计和实际应用提供参考．

等效弯曲刚度模型因同时考虑了裂纹的应力集中效应以及裂纹对附近区域刚度的影响而得到广泛关注．当前采用的等效弯曲刚度模型表达式来自模型提出者的一篇文献，经严格推导发现该公式（命名为模型一）有误．同时发现模型一采用某近似等式进行简化，但文献中并未给出该近似等式的证明过程以及适用范围．首先基于断裂力学理论并采用能量法，重新推导矩形截面梁在纯弯矩作用下的等效弯曲刚度模型公式（命名为模型二），并借用近似等式对修正裂纹模型即模型二进行简化得到模型三．接着尝试证明用于简化裂纹模型的近似等式；最后采用三种模型对在不同位置发生不同程度开口裂纹的某矩形截面梁进行计算，对近似等式成立的前提条件（即裂纹发生点不靠近梁两端）及适用范围进行讨论，并通过预报等效刚度轴向分布对三种模型进行对比分析．

预应力孔道压浆材料的流变性能直接影响压浆密实度与结构耐久性，而环境温度与粉煤灰掺量是调控其流变行为的关键因素．针对现有研究多聚焦单一变量、缺乏多场耦合本构模型的问题，本文基于Ostwald-de Waele幂律模型，引入三参数修正的Arrhenius方程表征温度对表观粘度的影响，并结合复合材料力学混合规则，建立了粉煤灰—温度—剪切速率三因素耦合作用下的压浆材料流变本构模型．通过与已有文献的实测数据对比验证表明：该模型能有效预测不同工况下的剪切应力响应；在恒定剪切速率下，温度由5 ℃升至50 ℃时，剪切应力降低约27.5%；粉煤灰掺量增至20%时，剪切应力下降超34%，显著提升浆体流动性；二者协同作用下，最大剪切应力降幅可达61.5%．研究成果为港区复杂环境条件下高性能压浆材料的设计与施工控制提供了理论支撑．

为揭示氯化聚氯乙烯(Chlorinated Polyvinyl Chloride, CPVC)电缆保护管在标准落锤冲击下的动态响应特征与损伤机理，本文结合实验与数值仿真开展系统研究．通过落锤冲击试验，对不同性能批次试样在多能级冲击下的动态应变与损伤形态进行测试；基于有限元软件建立三维显式动力学模型并经试验数据验证其可靠性．依托该模型，深入分析了冲击力、应变、应变率、接触应力及能量吸收等关键物理量的演化规律，并结合不同批次试样的损伤表现，明确了影响冲击响应与失效模式的主导因素．研究揭示了 CPVC 电缆保护管在冲击载荷下的动态力学行为与损伤机制，所提取的关键物理量指标可为轻量化、便携式现场快速检测装备的设计与标定提供理论依据和评价标准．