Abstract:

岩石介质在不同荷载环境下具有显著的弹塑性变形特征和断裂力学行为。为了同时描述岩石的弹塑性变形连续场以及断裂力学行为的非连续场，提出了一种基于Hoek-Brown强度准则的非常规态型近场动力学（non-ordinary state-based peridynamics， NOSBPD）弹塑性模型。首先，基于非局部变形框架下的材料对应性关系，建立了以Hoek-Brown强度准则为屈服准则的NOSBPD弹塑性本构方程，通过主应力空间的返回映射算法得到给定应变增量对应的应力增量，并给出了相应的增量模型积分算法；其次，提出了基于等效塑性应变的断裂准则，实现了岩石弹塑性断裂全过程力学行为的表征；最后，通过引入非均匀变形状态消除了NOSBPD模拟存在的零能模式问题。基于数值模拟结果与有限元结果以及试验数据进行对比分析，验证了所建立模型的正确性，可为岩石的弹塑性断裂力学行为研究提供有效分析手段。

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近场动力学（PD）方法基于键的形式处理断裂问题，对裂纹尖端可自动追踪，因而在求解三维裂纹扩展问题时具备极大的优势，但该方法中也存在数值震荡与边界误差等问题。为解决上述问题，首先应用无网格伽辽金弱形式框架对非常规态基近场动力学方法进行了探讨；随后引入近场动力学微分算子（PDDO）近似，并对比分析了该近似与重构核粒子（RKPM）近似间的差异，提出了具备更高数值精度的RKPM-PD耦合算法，并给出了该算法的隐式迭代流程。最后，通过若干数值算例验证了该算法在求解三维裂纹扩展问题上的有效性。

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原始近场动力学的控制方程由保守力做功的能量方程得到，从而无法合理反映材料的黏弹性变形行为和系统能量耗散。针对这一问题，提出一种考虑非保守力做功的近场动力学方法，其理论框架包括两部分：①材料点的黏弹性相互作用及其运动方程；②键的率相关断裂准则。在描述材料点运动方面，基于对混凝土变形机制的认识，提出了材料点之间的黏弹性相互作用模型，采用考虑能量耗散的哈密尔顿原理建立了黏弹性运动方程，利用黏弹性近场动力学方法与连续介质力学的能量密度等效的方法提出了弹性参数和黏性参数确定方法；在描述键的断裂和材料强度方面，利用混凝土动态单轴S强度准则发展了键的率相关断裂准则。通过数值实验，探讨了黏弹性近场动力学方法的功能和优越性。结果表明，发展的近场动力方法能够合理反映加载速率对混凝土变形、强度和开裂行为的影响。

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混凝土防渗墙在我国覆盖层高土石坝坝基防渗中应用非常广泛。受到巨大水推力、土压力及不均匀沉降作用的混凝土防渗墙可能会出现局部破损，该过程涉及到的尺度差异大、复杂破损精细化描述等问题通常是分析的难点。通过近场动力学多尺度均匀化分析，提出了一种高土石坝混凝土防渗墙破损等效损伤模型。首先给出了该等效损伤模型建立的基本思路，然后基于防渗墙破损的机理和应力状态规律的认识，采用近场动力学多尺度均匀化方法，建立了可用于工程三维分析的高土石坝防渗墙破损的等效损伤模型。该模型具有形式简单、参数少且物理意义明确、拉压统一描述、模型新引入的指数参数可以更好地模拟混凝土损伤发展速度等特点，便于工程应用。通过混凝土材料单轴受拉和受压试验及混凝土偏心三点弯曲梁算例验证了模型的有效性后，将该模型有效应用于某砾石土心墙堆石坝防渗墙的三维破损分析中。

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考虑在不降低求解精度的情况下有效地减少计算量，基于有效应力原理提出了一种有限体积法与近场动力学耦合的方法来模拟饱和孔隙裂隙介质中水力裂缝扩展问题。首先，通过多孔介质渗流模拟算例验证了所提方法的有效性；其次，通过几个数值算例进一步验证了该方法在流体驱动下模拟饱和裂隙孔隙介质中裂纹扩展的能力和主要特点；最后，通过对5个工况的模拟，展现了围压差对水力压裂裂缝扩展具有诱导作用的现象。同时，将该耦合方法的数值模拟结果与其他数值、解析结果或试验结果相对比，进一步说明所提出的耦合方法能够有效模拟岩石流固耦合的力学扩展破裂过程。

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对铝合金板式节点火灾后性能的研究可为评估铝合金网壳火灾后承载性能提供依据。完成了6061-T6铝合金材料过火后的单向拉伸试验，给出了其火灾后力学性能折减系数的计算式。完成了12件6061-T6铝合金板式节点过火后的承载性能试验，得到其承载力和破坏模式。试验结果表明，铝合金材料性能及铝合金板式节点力学性随过火温度的变化均呈现三折线趋势。建立数值模型并进行参数分析，分析了材料性能、过火温度、尺寸规格对铝合金板式节点过火后承载性能的影响规律。最后，拟合得到铝合金板式节点火灾后的弯曲刚度及承载力计算式以及火灾后的弯矩-转角曲线四折线模型。

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为了探究应变速率对炭质板岩单轴力学特性和声发射特征的影响，开展了4组不同准静态应变速率（8.50×10^-6s^-1、1.70×10^-5s^-1、1.70×10^-4s^-1和3.34×10^-4s^-1）下的单轴压缩试验，并同时监测了加载过程的声发射信号。基于试验数据，总结分析了应变速率对炭质板岩应力-应变关系、能量耗散及声发射特征的影响规律，探讨了应变速率的影响机制。同时，基于加载过程中耗散能密度的演变规律，提出了将耗散能曲线平直段起点作为炭质板岩闭合应力σ_cc、平直段终点作为扩容应力σ_cd的特征应力确定方法。结果表明：在准静态应变速率范围内，炭质板岩的弹性模量和峰值强度随应变速率的增大均先增大后减小，在应变速率1.7×10^-4s^-1时达到最大值；闭合应力、起裂应力和扩容应力与峰值应力的比值基本在0.37、0.55和0.74左右，不随应变速率发生变化；应变速率对声发射信号影响显著，随应变速率增加，0~50kHz内的主频率占比逐渐增加，而100~250kHz内的主频率占比逐渐减小，炭质板岩的破坏形式逐渐由张拉破坏变为剪切破坏。

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统计了工程中常用的55种P类膜材的规格参数，包括经纬向纱线密度、纤度、克重、厚度等，整理研究了团队累积的膜材力学性能检测数据，得到了涂层织物类膜材的基本力学性能数据库。在此基础上，利用多元统计方法中的经典方法对涂层织物类膜材组织结构参数及其相关试验结果进行分析，包括力学性能指标的相关性分析和力学性能指标的影响因素分析，确定各项参数对膜材强度指标的影响，采用二元线性回归分析方法，分别建立了P类膜材抗拉强度和撕裂强度的回归模型，可用于膜材生产和膜结构设计分析。

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从波浪作用下人工水下沙坝的迁移演变规律和人工水下沙坝对波浪的消减效应2个方面综述了人工水下沙坝与波浪相互作用相关的最新研究进展；介绍了人工水下沙坝物理试验研究的经典案例，包括案例的研究背景、比尺设计原则和主要结论；论述了适用于人工水下沙坝中长期演变模拟的“基于过程的剖面演变模型”的发展历程和核心思想；结合现有研究成果，从构筑长度、布设位置和工程寿命设计方面给出了人工水下沙坝工程应用上的建议；讨论了现有研究成果和研究方法的局限性，给出了未来的研究展望。

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针对传统刚性铺面结构在设计年限内板边、角易开裂的问题，基于美国国家机场铺面测试中心的CC1和CC2试验段的测试结果，结合Westergaard的理论解，提出了结构刚度概念与刚性铺面结构平衡刚度设计理念，即增加铺面板边、角的结构刚度，使整个铺面板在板边、板角和板中3个荷位处的结构刚度处于平衡状态。随后，通过CC6足尺加速加载试验，验证了基于平衡刚度设计理念的铺面结构可以有效缓解和预防板边、角裂缝的产生，并且设有刚性基层的等厚度面层板可以达到同样的效果。最终，结合平衡刚度设计理念及试验结果，提出了平衡刚度刚性铺面结构的一般形式，同时考虑工程应用设计了一种基于平衡刚度设计的刚性铺面的原型结构。研究成果可为刚性铺面结构的平衡刚度设计提供理论基础。

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为高效、有针对性地管理城市道路超车行为，提出基于量化特征在线识别高风险超车的方法。首先以交通波理论划分城市路段超车类型，并根据其特性构建多维度指标体系以描述关键特征；然后提出使用车牌识别数据在线计算各项指标的方法；最后基于真实数据，验证该指标体系用于高风险超车识别的有效性。结果表明，可以多项式分别拟合路段超车数和超车幅度总和与流量的关系，以筛选超车频次和强度对流量敏感的路段；K-means算法可根据计划行程速度、单车超车当量速度差将主超车聚为3类，将该类型与车辆超车后行程速度、单车超车当量速度差相结合可实时识别高风险超车；高风险超车常见于相邻交叉口信控相位协调不利的周期，且多发于上游交叉口周期初期和下游交叉口绿灯末期。

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为了探究水汽在沥青混合料中的扩散规律及影响因素，设计了穿透型水汽扩散试验装置，制备了7%、17%和24%这3种空隙率的沥青混合料试件，分别在25℃、30℃和40℃下进行水汽扩散试验。研究发现水汽在沥青混合料中的扩散速率随着温度的增大而增大，在较低温度下（25℃和30℃），空隙率对沥青混合料的水汽扩散速率起主导作用，在较高温度下（40℃），温度对水汽扩散速率起主导作用，2种多孔沥青混合料的水汽扩散通量和扩散系数明显高于密级配沥青混合料；水汽在沥青混合料中的积聚量随空隙率的增大而增大，随温度的增大而减小。结果表明温度和空隙率均对水汽扩散有显著性影响，且温度越高，空隙率影响越显著；空隙率越大，温度影响越显著。

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地下水位高于管道埋深的地区，污水管道破损会导致大量地下水入渗，严重影响城市污水治理效能。高密度城市交通繁忙、高楼林立，难以开挖查找破损管道；物理探测方法操作复杂，价格不菲，难以推广。污水管网破损摸排成为制约城市污水治理的瓶颈问题。为此，利用粒子群算法，建立了高地下水位地区污水管道破损寻优定位模型，通过管网水力学模型和关键检查井水位监测信息，开发了城市污水管网破损的数值化定位技术。该技术方法在某城市污水管网进行了实例验证，结果表明基于检查井水位对地下水入渗流量进行解析，可确定破损点位，相对误差小于5%。在此基础上，进一步探究了监测点数量对破损点寻优定位精度的影响，结果表明只需监测60%的节点，寻优定位的查准率和查全率分别可达到75%和94%。

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采用溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯（TEOS）为硅前驱体，制备二氧化硅凝胶对天然除虫菊酯进行封装，并以载药率为评价指标，使用响应曲面法设计BBD（Box-Behnken实验）实验确定最佳的制备工艺条件为：pH=9.02，TEOS投加量为0.96 g，反应温度36.5 ℃，微胶囊载药率最大值可达到38.0 %，平均粒径约为13.5 μm。结果表明，微胶囊封装后的原药在250 ℃以下稳定性有着显著提升，4 ℃避光储存4个月，载药率仅下降6.2 %。微胶囊缓释性良好，在100~200℃条件下能有效减少原药的质量损失。微胶囊对于淡色库蚊和白纹伊蚊幼虫均保留较高的杀虫活性，对蚜虫和黏虫的毒性甚至略高于原药。

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噪声污染是重要的环境问题，研究如何设计吸声结构以降低环境中的噪声一直是一项富有挑战性的课题。相比于传统材料，超构材料因其低频吸声的突出优势，成为目前设计研究的热点。首先介绍2种主要的声学吸收机制：声学黏滞性理论和热传导理论。在此基础上，阐述了吸声结构的基本设计分析方法，包括阻抗分析方法、数值计算方法以及实验方法，其中阻抗分析方法主要介绍了阻抗匹配理论和复频率平面分析方法。接着，根据目前吸声结构的设计研究现状进行分类，深入介绍基于超构材料设计的研究进展，讨论了其实际应用和可能的发展方向，最后从结构设计、工作频带、结构尺寸、吸声效果方面对基于超材料的吸声结构进行了总结，并分析了其在实际应用和不同工况下面临的挑战。

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对于冷气式气体发生器，爆破片极限载荷的准确计算是发生器结构设计的关键。为了准确预测水压试验爆破片的破坏载荷，首先使用基于隐式算法的零曲率法和弧长法对爆破片极限载荷进行计算。与试验结果对比表明，这2种方法的极限载荷计算结果精度都达到97%以上。随后，为了弥补隐式算法在大载荷作用下接触非线性、难收敛的不足，基于弧长法关键位置应力矩阵状态变化规律分析结果，提出针对显式算法确定极限载荷值的方法： 应力矩阵状态分析法，即在显式计算过程中跟踪爆破片中心位置三向应力变化，将其在厚度方向发生失稳时对应的载荷定义为极限载荷。最终的计算结果表明，使用应力矩阵状态分析法判定的爆破片极限载荷与试验结果的匹配精度为97.4%，且由于接触非线性相关影响被计入，爆破片变形计算结果更加准确。

Abstract:

针对多堆燃料电池系统各电堆温度的控制问题，提出了一种将阴阳极出口气体温度作为电堆温度修正项的并联式热管理子系统模型，并对多堆燃料电池系统进行热平衡分析。首先，采用模型预测控制方法进行温度控制；然后，应用系统模型辨识的方法建立多个预测模型，通过切换预测模型控制不同工况点的电堆温度过程；最后，设计测试工况进行仿真验证。结果表明：在相应的温度指标下，并联式热管理子系统应用模型预测控制算法能够快速准确地进行多堆燃料电池系统中各电堆的温度控制，并且增加典型工况点的多个预测模型有助于提升控制效果，使得超调量减小，调节时间缩短。