通过一体化仿形织造技术制备的圆顶形层联机织预制体（DIWP）具有可设计性好、结构稳定、承载能力强等特点。探究DIWP微细观结构并构建其参数化几何模型，对于预测DIWP力学性能并指导其工艺设计十分重要。基于预制体宏观结构特征、织造工艺参数对DIWP参数化模型构造方法进行了全面研究，并使用SolidWorks软件建立了实体几何模型。结果表明：通过引入纬斜角可以描述DIWP纱线的空间坐标与运动路径之间的关系；一元二次函数形式的抛物线凸透镜形纱线截面假设适用于DIWP；讨论3种不同细观结构的DIWP参数化模型，进一步得到了具有系统性、可靠性、普适性研究价值的DIWP的参数化模型构造理论；模型解析式全部由MATLAB软件推导得出，可求解且唯一；参数化模型能够有效表征DIWP的空间拓扑关系、计算纤维体积含量，与实测值对比，误差为-3.43%。所得结论为DIWP的仿真模拟提供了理论依据，并对其实际制备工艺的设计具有指导意义。

针对碳纤维/环氧树脂复合材料（CF/EP）在低温下易发生分层损伤破坏的问题，首先对热固性环氧树脂进行改性，制备了同体系的热塑性环氧树脂（TPE）颗粒，并将其应用于CF/EP层间进行增韧，与常用的聚酰胺66（PA66）颗粒子和聚醚砜（PES）颗粒进行对比，研究了3种颗粒对CF/EP在室温和低温时的增韧效果。试验结果表明，3种热塑性树脂颗粒均能起到显著的增韧效果，但添加颗粒后对CF/EP基本性能的影响有较大差异。CF/EP层间加入PA66颗粒和PES颗粒后，虽然复合材料韧性有一定提高，但由于树脂基体和增韧颗粒的体系差异，造成了复合材料层间增厚和基本力学性能的下降。而层间添加TPE颗粒的CF/EP层间断裂韧性显著提高，其室温下的Ⅱ型层间断裂韧性（G_IIC）达到1 126 J/m²，提高了88.0%；-183 ℃下的G_IIC达到1 386 J/m²，提高了109.2%，同时，TPE颗粒的加入对CF/EP层合板的厚度、室温与低温下的层间剪切强度和弯曲强度影响不大，这是由于TPE颗粒与预浸料中热固性环氧树脂属于同系材料，相互可以充分地融合流动，生成了更加独特的层间结构。因此，提出的同体系的TPE颗粒可以更全面有效地对复合材料进行室温和低温下的层间增韧。

提出了一种高温合金含孔结构的新型冷挤压强化工艺，即多级凸包旋转冷扩孔挤压工艺（MCR-CEP），以提升镍基高温合金孔结构件疲劳寿命。为了最大程度地提升MCR-CEP工艺的强化效果，通过多次挤压强化试验，探究凸包间距、主轴转速和挤压量3类工艺参量对强化后孔内壁表面完整性的影响规律。试验结果表明：凸包间距和主轴转速越大，加工过程的挤压力越小；较大的挤压量易造成孔内壁粗糙度增加和残余应力饱和。综合考虑加工过程挤压力、显微硬度、表面粗糙度和残余应力情况，初步确定最优挤压参数为挤压工具凸包间距0.8 mm、主轴转速100 r/min、挤压量0.2 mm。随后，通过疲劳试验对优化工艺的强化效果进行验证。结果显示：与未强化孔结构相比，MCR-CEP强化试样的平均疲劳寿命提升至少118%，最优工艺参数加工的试样疲劳寿命提升达173%。

碳纤维树脂基复合材料（CFRP）构件的固化变形直接影响构件装配后的力学性能及服役寿命。现阶段采用的修模、结构优化等固化变形控制方法存在工艺周期长，迭代成本高等问题。微波加热和自阻电热等选择性加热方法有潜力实现固化温度场的精准调控，进而通过构造不均匀温度场产生热应力来对冲原有的固化变形。针对如何构造不均匀温度场这一典型反问题，推导并定义出近“零应力”等效温度场，原理上可对冲构件脱模前的残余应力场实现近“零应力”固化，从而抑制脱模后的固化变形。针对实际固化温度工艺约束，设计了自适应压缩分割算法对理论等效温度场进行近似分区。在典型双曲面零件和回转体零件上进行了初步验证，相比于传统的等温固化工艺，固化变形和残余应力均减少了近50%；相比于仅考虑固化变形的温度工艺优化方法，固化变形和残余应力均减少了近15%。

为了增强碳纤维复合材料的韧性并提升其高速冲击性能，提出一种组分材料分别为30 μm厚薄层碳纤维预浸料和50 μm厚不锈钢极薄带的新型纤维金属层板——薄层碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板（CUSFML）。在金属体积含量（MVF）为0.250~0.625的范围内，制备了3类薄层CUSFML。利用空气炮在45~120 m/s速度范围内对纯碳纤维层板和3类薄层CUSFML开展了高速冲击实验研究，并结合修正后的三维Hashin失效准则在ABAQUS/Explicit软件中对薄层CUSFML的高速冲击响应进行了数值仿真。系统分析了高速冲击下MVF数值变化对薄层CUSFML的动态响应特征和能量吸收的影响规律。研究结果表明：薄层CUSFML在高速冲击下的性能较传统碳纤维复合材料有显著提升。经实验数据分析及数值计算可知，所制备的薄层CUSFML的比吸能最高可达8.51 J·m²/kg，较纯碳纤维层板提升19.2%；冲击承载最高可达6 713 N，约为纯碳纤维层板的2.5倍。提高薄层CUSFML中不锈钢极薄带的体积含量在一定范围内可增强金属层塑性变形和断裂在能量吸收中的主导作用，提升层板的高速冲击性能。但随着MVF数值的持续增加，薄层CUSFML的比吸能会出现小幅下降。对比各类层板的动态响应特征后发现薄层CUSFML在MVF为0.455附近的抗冲击性能及吸能性能最为优异。

基于界面极化理论提出了一个石墨烯掺杂聚合物复合材料的介电模型，描述了石墨烯对复合材料有效介电常数的影响。该模型解释了石墨烯纳米片与聚合物基体在界面层的相互作用，计算了界面层的局部介电常数和局部电场强度，并通过控制变量方式对模型内材料参数的影响进行了分析。与传统经验模型相比，提出的模型明确了分离上限距离、势垒高度、基体层电导率、石墨烯纳米片层尺寸等因素对有效介电常数的影响机制。对多类二元、三元介电复合材料体系的有效介电常数进行了预测，并与实验样品实测值、文献值进行对比，验证了所提出模型的有效性。

针对传统液压拦阻在面对多种类无人机拦阻功能适配性不足的缺点，基于磁流变技术和主动控制技术，提出了一种闭环拦阻装置。运用AMESim搭建了拦阻系统动力学仿真模型，并基于序列二次规划法对拦阻系统结构参数进行了选定，基于选定的参数，对拦阻过程进行动态特性仿真，并对主动控制系统介入前后性能进行比对分析。为了更准确的模拟无人机拦阻过程的动态特性，基于有限段法构建拦阻索，并引入VL Motion构建多学科协同联合仿真。研究结果表明：主动控制介入后挂索瞬间峰值加速度相比加入前下降23%，拦阻距离下降9%，拦阻时间缩短3%，并且在挂索后无人机持续减速的过程中，加入主动控制后无人机加速度变化更加缓和；针对不同质量无人机，基于磁流变技术的主动控制拦阻装置比液压拦阻系统的适配性更好，拦阻距离和拦阻过载更加集中可控。

在冷喷涂（CS）的沉积过程中，颗粒间结合强度较弱，涂层内普遍存在孔隙和颗粒间边界等缺陷。为研究这些缺陷的形成机制，在不同载流温度下，制备了3种不同粒度分布的Ti金属涂层；根据试验参数，建立随机多颗粒沉积的Coupled Euler-Lagrange （CEL）模型，计算获得了颗粒沉积后的变形情况及涂层内部的孔隙分布规律。结果表明，数值模拟和试验结果吻合良好。碰撞作用导致颗粒的累积呈现方向性，随着速度提高，颗粒的变形增大且内层颗粒受速度影响比外层颗粒更大。在相同参数下，大粒径颗粒沉积获得孔隙尺寸更大，孔隙率更高。在低速情况下，涂层内部的孔隙会相互连通形成孔簇，而随着临界速度比增大，孔隙率降低。

针对现有纺织复合材料网格划分时，由不规则纱线截面形状和材料边界引起的失真、干涉和锐化等问题，提出了一种基于织物微观几何结构的复合材料网格划分方法和单元拆分机制。该方法借助专业纺织建模软件DFMA建立织物单胞几何结构点云。首先，基于结构点云，计算纱线路径并采用Delaunay三角网改进的Alpha-shape算法计算纱线截面轮廓，依此获得纱线表面初始网格。然后，将该网格置于体素网格中，通过网格映射方法引入周期性边界，并与体素网格节点相匹配，进而消除纱线间的渗透和窄间隙。最后，拆分体素单元，以保证材料的连续性。采用该方法建立了平纹、三维整体正交和层间正交复合材料网格模型，并基于应变连续损伤准则与指数衰减模型建立了纺织复合材料的损伤起始与演化准则，模拟了平纹编织复合材料在剪切载荷作用下的力学性能。结果表明，与四面体和六面体网格划分方法相比，所提网格划分方法能够较为准确地还原复合材料内部几何结构，处理二维和三维机织物结构中的尖锐边界和复杂曲面，获得光滑的纱线表面和清晰的轮廓；网格数量适中，计算耗时仅为TexGen模型的15%。剪切模量和强度的仿真结果与实验结果对比分别相差8.93%和3.73%，验证了模型的有效性与可靠性。

复合材料自动铺放（AFP）过程中，铺放速度的突变极易引起丝束翻折、褶皱、滑移等缺陷，从而降低铺放质量和铺放效率。基于铺放速度的预测结果进行优化调整，是提高铺放速度稳定性、保障铺放质量的重要途径。为此，提出一种基于数据驱动的铺丝机速度预测及规划方法。首先，基于随机森林方法，建立了以铺丝机运动轴为子树的铺放速度预测模型，提出以关节标称速度、加速度、关节轨迹夹角为输入特征，以关节实际速度为输出特征的随机森林模型特征参数定义方法；进一步，基于铺放速度预测结果分析，提出了指令速度的分段匀速规划方法；最后，给出了参考指令速度的制造周期预估方法。采用六自由度卧式机床的进气道铺放实验对上述方法进行验证。结果表明，该方法对同训练角度铺层铺放速度的预测准确度达到91%，随着学习数据增加，各角度铺层路径的速度预测精度均有提升。采用基于铺放速度预测结果的指令速度分段规划方法，可显著降低速度突变，有效提升铺放质量。在计算成本方面，通过与神经网络方法相比，证明了随机森林方法具备高效的铺放速度预测水平。

激光熔覆修复GH4169合金的拉伸性能具备各向异性，拉伸性能与受载方向和修复界面之间的夹角（界面角度）显著相关，研究修复后合金的拉伸各向异性可为GH4169合金构件的高性能修复奠定基础。基于数字图像相关（DIC）技术开展了不同界面角度下的修复后合金拉伸试验，结合光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等手段进行了界面区域微观组织及断口形貌观测分析，对激光熔覆修复GH4169合金各向异性拉伸力学性能开展了研究。结果表明修复后合金的拉伸性能与拉伸载荷方向、枝晶生长方向的夹角呈负相关；拉伸试样的断裂主要是由Laves/γ相界面在拉伸载荷下分离引发裂纹成核和扩展造成的。当枝晶取向与拉伸载荷的夹角较小时枝晶间较大尺寸的不规则Laves相破碎成小颗粒并随基体γ相一同移动，断裂后韧窝较深，抗拉强度和屈服强度较高；当夹角较大时枝晶间Laves/γ相界面剥离导致裂纹形核，而后快速扩展，断口呈大量阶梯状的枝晶沿晶断裂形貌，拉伸性能较差。研究阐明了不同界面角度对修复后合金拉伸性能的影响机理，可为激光熔覆修复GH4169高温合金构件拉伸性能的综合评估提供基础。

采用自主设计的KCo8钴基中间层对GH5188高温合金进行瞬间液相扩散连接，借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）及电子探针（EPMA）分析评估了瞬间液相扩散焊接工艺参数对接头微观组织的影响，探究了焊接工艺对接头的影响机理，采用电子万能试验机检测接头的力学性能进行评估并分析其断裂机理。结果表明，典型的接头主要由3种区域构成：GH5188合金（母材），M₅B₃、M₃B₂等析出相存在的扩散区和钴基固溶体构成的等温凝固区。扩散区的扩散行为与焊接工艺有关，随着焊接温度的升高或保温时间的延长，扩散区析出相的密集程度逐渐减小。最佳工艺参数为焊接温度1 180 ℃，保温60 min，接头平均抗拉强度为1 033 MPa，达到母材性能的96.5%，且断裂于母材，满足工程背景需求，并为GH5188 TLP扩散焊的广泛应用提供参考。

与碳纤维相比，碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度，是理想的树脂基复合材料增强相，在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理，制备出SENB试件进行断裂韧性实验，定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响，提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系；相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降，即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大；弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降；强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降；当断面的CNT拔出和拔断的占比相近（即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断）时断裂韧性最大。

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法，然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度，数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足，如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行数据融合以实现结构应力场监测是一个具有挑战性的问题。提出一种面向结构静力试验监测的数字孪生（DT-SSTM）方法，可获得高精度的结构静力试验数字孪生模型，以实现结构应力场的实时监测与强度评估。DT-SSTM方法包括离线、在线2个阶段。离线阶段，采用梯度提升树（GBDT）算法对仿真数据进行训练，建立预训练模型。在线阶段，基于集成学习理论，采用Stacking算法对试验数据响应值与预训练模型响应值之间的残差进行训练并建立残差模型。通过叠加预训练模型与残差模型实现多源数据融合，建立高精度的数字孪生模型。最后，开展了开口矩形壁板轴向拉伸试验来验证DT-SSTM方法的有效性。结果表明，DT-SSTM方法能够建立高精度的结构静力试验数字孪生模型，且相比同类数据融合方法具有更高的全局、局部预测精度以及融合效率，为结构应力场实时监测提供了一种新颖的解决方案。

针对酚醛树脂气凝胶复合材料（IPC）碳化过程热物性参数动态变化和难以准确测量的问题，基于试验测量信息，通过求解瞬态非线性热传导反问题，提出了一种预测IPC碳化过程热物性参数的新方法。采用改进的梯度算法对瞬态非线性热传导反问题进行求解，预测随温度变化的热物性参数。引入复变量求导法准确计算灵敏度矩阵，提高预测精度。结果表明，与传统的梯度算法相比，该算法在求解瞬态非线性热传导反问题时具有很好的稳定性、精度和效率，计算时间由75 s降至35 s。测点温度计算值和试验测量值的平均相对误差为3.279%，采用该算法预测IPC碳化过程等效导热系数精度高。该工作为获取热防护材料的高温热物性参数提供了一种有效方法，为碳化型热防护材料的工程设计提供了关键参数。

针对直升机舱内500 Hz以下的低频噪声控制难题，在原有直升机舱壁结构基础上引入声学超材料设计范式，提出一类低频多带隙声学超材料结构。该声学超材料结构单元内部包含4个悬臂梁式共振结构，在各个共振结构的谐振频率处能够打开局域共振完整带隙。首先，建立声学超材料结构单元的有限元动力学模型，算例分析其能带结构特性并揭示多带隙形成机理。其次，开展声学超材料样件安装于小尺寸均匀平直板前后的法向入射传声损失试验与锤击激励振声试验，发现实测的隔声提高区和传递函数幅值衰减区均符合理论预测的带隙频率范围，从而验证了理论模型的正确性。最后，在混响室-全消声室测试环境中开展声学超材料样件附加于大尺寸曲面加筋壁板前后的扩散场入射传声损失试验与激振器激励振声试验，证明即便应用于复杂结构壁板，声学超材料的带隙频段仍然显示出很高的潜力来改善隔声性能和振声行为。研究工作旨在为采用轻薄声学超材料降低直升机舱内噪声提供思路和方法。

以侧铣可加工微晶陶瓷为对象，建立了瞬时整体铣削力模型，研究了刀具偏心跳动状态下立铣刀侧刃铣削瞬时铣削力。通过铣削刀具与工件的次摆线运动，获得了其瞬时切削厚度、瞬时切削面积。通过线性搜索法确定了刀具偏心量和偏心角的最优解，利用一维搜索算法进行了瞬时铣削力作用点的精确求解，并以刀具偏心跳动状态下的瞬时转角予以表达。以Martellotti模型为基础，建立了新的瞬时铣削力模型。以最小二乘法进行了瞬时铣削力模型系数辨识。并从铣削力作用点（瞬时转角）视角，研究了瞬时铣削力的变化特性。铣削实验验证结果表明，铣削力模型预测值与实验值吻合程度较高，平均相对误差不超过8%，该瞬时铣削力模型具有较高的预测精度。

在航空柱塞泵的进油端集成涡轮增压系统，有利于提高航空液压系统的集成度，并解决柱塞泵在高转速下因吸油不足而产生的空化、脱靴等难题。针对涡轮增压系统中叶片和压水室流道的优化设计问题，基于熵产理论对增压系统中的能量损失及其空间分布进行了研究，构建了涡轮自增压轴向柱塞泵的流体域模型，探究压水室形式、断面形状、进口宽度、断面面积变化规律以及涡轮叶片形式与熵产率的关系，以熵产最小为目标优化涡轮增压系统的结构：涡轮采用扭曲叶片，压水室采用螺旋形、断面形状采用圆弧形、压水室进口宽度采用8 mm、断面面积变化规律为U型时，增压系统的总熵产下降约0.032 W/K，较优化前降低了13%，增压值上升约0.22 bar，较优化前增加7%。最后采用试制的样机搭建试验系统，测试了直叶片形式和扭曲叶片形式的涡轮增压值，试验结果与仿真结果基本一致。

针对具有结构材料微损取样优势的圆片小冲杆试验，基于能量密度等效理论，建立了关联圆片微试样小冲杆试验载荷、位移、几何尺寸和材料单轴力学律参数的载荷-位移模型；进而针对航空金属材料，提出了单轴拉伸试验结果与小冲杆试验结果之间实现材料力学性能互换的小冲杆试验新方法。对5种航空金属材料完成了小冲杆试验及传统拉伸试验，结果表明，新方法所得圆片微试样的应力-应变曲线与单轴拉伸试验结果密切吻合，所得弹性模量与单轴拉伸试验结果之间相对误差在10%以内，所得塑性延伸强度和抗拉强度与单轴拉伸试验结果相对误差大部分在5%以内。新方法有望促进小冲杆试验在服役结构安全评价中的应用。

采用飞秒激光在化学气相沉积（CVD）-SiC中间层表面制备不同尺寸的阵列，研究了阵列结构对ZrB₂/SiC涂层性能的影响。结果表明，随着激光刻蚀频次的增大，阵列结构的深度从30 µm增大到150 µm。采用氧乙炔烧蚀600 s，ZrB₂/SiC涂层烧蚀表面温度随CVD-SiC微结构深度增大而逐步降低，最低的表面温度达到1 700 °C，下降了约200 ℃。烧蚀中心区域的颜色从白色过渡到浅灰色。对于激光刻蚀频次为5的试样，在600 s的单次烧蚀后，质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为-7.4 × 10^-5 g/s和-13.3 µm/s。阵列结构增大了ZrB₂/SiC涂层与CVD-SiC中间层的接触面积，从而增强了导热性能，减少了热积聚，进而改善了ZrB₂/SiC涂层的抗烧蚀性能。