采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了掺杂Sc、Ti、V和Zr的Cr₂B₃在零压下的晶体结构和电子结构及其在0～150 GPa压力范围内的弹性常数和维氏硬度。结果表明：Cr₂B₃及其掺杂化合物均具备力学稳定性；在零压下，添加Sc、Ti、V和Zr元素均可提高Cr₂B₃的维氏硬度，其中Ti掺杂Cr₂B₃的硬度由26.3 GPa提高至40.2 GPa，提高52.9%，达到超硬材料标准，且 Ti和V掺杂Cr₂B₃的剪切模量分别提高14.3%和16.2%，杨氏模量分别提高8.2%和12.0%；由电子结构分析可知，Sc、Ti、V和 Zr元素可以加强B与B之间的电子局域化程度，从而增强共价键结合强度，使Cr₂B₃的硬度升高；Cr₂B₃的弹性常数、体积弹性模量、剪切模量、杨氏模量以及硬度随着压力的增加而增加，但其硬度仍较低，150 GPa下仅为28.3 GPa，而掺杂V的Cr₂B₃的硬度在整个压力范围内约为37 GPa。研究结果可为Cr₂B₃在高压等特殊条件下的应用提供理论参考。

基于密度泛函理论的第一性原理研究了高压下富氮含能材料（双3, 4, 5-三氨基-1, 2, 4-三唑）-5, 5′-偶氮四唑（G₂ZT）的几何结构、电子结构和光学性质。结果表明，在考虑范德瓦尔斯色散修正和密度泛函色散修正的情况下, 分子晶体结构数据与实验结果的相对误差均在3%以内。Hirshfeld表面分析结果表明，随着压强增大，分子间氢键的相互作用减弱。G₂ZT晶体在零压下的能带带隙为2.03 eV，是一种p型半导体。随着压强增大，带隙变窄，吸收系数可达到3.0×10⁶ cm⁻¹。研究结果为进一步分析高压下G₂ZT晶体的特征提供了理论参考。

超高温陶瓷具有高熔点、高热导率、抗氧化烧蚀等优异性能，是可重复使用的高超声速飞行器防热部件的重要候选材料之一。利用高压技术制备出了高致密超高温陶瓷ZrB₂-ZrC复合材料。通过调控合成条件和原料配比，研究了合成压力和烧结助剂ZrC对复合材料抗热烧蚀性能的影响规律。结果表明：在压力3.2 GPa、温度950 ℃的条件下制备出的ZrB₂-ZrC复合材料的致密度达到95%以上，该复合材料在1600 ℃烧蚀下的最优质量烧蚀率为17 μg/s，在2000 ℃下的最优质量烧蚀率为30 μg/s；在合成压力为2.9 GPa、温度为950 ℃的条件下，改变烧结助剂ZrC的含量可以影响复合材料的热烧蚀性能。其中，当ZrB₂与ZrC的摩尔比为8∶1时，制备的ZrB₂-ZrC复合材料经1600 ℃烧蚀后的质量烧蚀率达到最低值（35 μg/s）。

为研究高温高速冲击载荷作用下GH4169镍基高温合金靶板的变形和破坏行为，在已有的弹道冲击气炮基础上增加了靶板的高温加载装置、弹体发射和高温炉体同步分离结构。针对尺寸为160 mm×160 mm×2 mm的GH4169靶板进行了高温高速弹道冲击试验方法验证。结果表明：该装置可实现温度高于500 ℃、速度大于320.0 m/s的高温弹道冲击试验。在弹体冲击靶板过程中，靶板正反面的温度差小于0.1%，靶板的面内温度差小于2.6%。对GH4169靶板进行了高、低温弹道冲击试验，结果表明，在500 ℃高温条件下，由冲击造成的靶板全局变形范围较常温条件下小29.5%，高温条件下GH4169靶板的抗冲击性能优于常温试验结果。

引信控制技术是战斗部研制的关键技术之一，层间加速度信号粘连可能导致计层引信错误决策。针对含压装连接加速度测量装置在弹体侵彻多层靶时信号粘连的问题，依托数值仿真获得了弹体结构动态响应。计算结果显示：无预紧压装时，装置与弹体的动态间隙最大可达25 μm，形成间隙碰撞，加剧层间信号粘连；适当预紧压装可抑制层间间隙，使压装连接与理想刚性连接近似。适当预紧压装时，层间加速度计过载频响呈现单峰特征，响应频率峰值与弹体一阶伸缩固有频率接近。存在最小预紧力，可使压装连接与理想刚性连接近似，其值随撞击速度、靶板层数增加而增大。这是因为在层间阶段弹体中留存的应力波的最大值随撞击速度、靶板层数增加而增大。研究结论为压装连接时加速度层间信号粘连的机理识别与控制奠定了基础，同时也可在一定程度上指导压装连接的工程装配。

为研究聚酰亚胺在动静态压缩载荷作用下的力学特性，采用材料试验机（material testing system, MTS）和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）进行压缩实验，得到了材料在不同应变率下的应力-应变曲线。通过分析回收试样的形貌，得到了聚酰亚胺在裂纹形式、尺寸变形等方面的特性。聚酰亚胺屈服强度的动态增强因子与应变率的关系具有明显的双线性特性，可采用多元线性方程或Cowper-Symonds模型描述。针对聚酰亚胺的动态力学响应特性，阐述了从低应变率到高应变率范围内的压缩变形机理。采用考虑$\,\beta $转变的唯象本构模型，描述了聚酰亚胺在大应变率范围内的弹塑性大变形响应，包括初始黏弹性、屈服、应变软化和应变硬化在内的力学行为。通过贝叶斯方法拟合模型参数，拟合结果与实验结果在各应变率下都具有较好的一致性。

通过真空辅助树脂注射技术制备出由亚麻纤维面板和聚氨酯泡沫材料芯组成的夹芯板，分别在25、40、55和70 ℃下对夹芯板开展水浸泡老化实验，并对老化后的夹芯板进行低速冲击测试。采用正交实验设计，考察了夹芯板在不同温度下的吸湿率和抗冲击能力随时间变化规律。分析了夹芯板的接触力、位移和吸收能量等冲击响应历程，结合夹芯板损伤形态观察，研究了老化后夹芯板的冲击损伤特征。结果表明：随着老化温度的提升和老化时间的延长，夹芯板的吸湿率逐渐增大，抗冲击性能呈阶梯状下降；与25 ℃老化条件对比，70 ℃老化30 d的夹芯板受12 J能量冲击时的峰值力下降51.6%，吸收能量下降56.7%。

采用水中泡大的高吸水性材料模拟水滴，开展了常温下直径为3.7和6.4 mm的球形水滴超高速正撞击典型Whipple防护结构（由缓冲板和效应板构成）的实验研究，得到了不同直径的水滴弹丸撞击下双层铝板的毁伤特性。采用LS-DYNA软件的有限元方法-光滑粒子流体动力学（finite element method-smoothed particle hydrodynamics, FEM-SPH）自适应方法对Whipple防护结构在直径为3～7 mm的水滴不同速度撞击下的毁伤特性进行了研究，分析了水滴直径、撞击速度、靶板厚度等因素的影响，给出了2～8 km/s速度范围内水滴超高速撞击铝板的无量纲穿孔直径经验公式，得到了3～7 mm水滴弹丸击穿Whipple防护结构所需的最低速度。

混凝土是一种典型的拉压不对称准脆性复合材料，采用巴西劈裂试验研究其拉伸破坏时发现，不同加载方式对混凝土的变形和破坏特征的影响很大。通过直接加载、弧形垫块加载以及平台圆盘加载3种方式对混凝土圆盘试件进行准静态试验，基于数字图像相关法，研究混凝土拉伸劈裂破坏过程中的全场变形和局域化破坏特征。结果表明：(1) 标准圆盘直接加载时，试件顶部和底部附近的应力集中使试件端部先发生损伤，拉伸应变场中的高幅值区从加载端向中心迅速扩展；而采用弧形垫块或平台圆盘加载优化了应力集中问题，使得试件中心最先出现应变集中，继续加载时损伤向两端扩展，导致试件劈裂破坏。(2) 弧形垫块加载和平台圆盘加载满足了巴西劈裂试验的中心起裂假设。测得平台圆盘加载时混凝土试件的抗拉强度约为5 MPa, 比标准圆盘加载提高了31.2%左右，分析认为平台圆盘加载提高了试件中心的压拉比以及加载端处的摩擦力。(3) 3种加载方式下，混凝土试件中心位置变形的数字图像相关分析结果和应变试验测量结果吻合较好，验证了基于数字图像相关方法获得的混凝土试件全场变形的有效性。

碳纳米管（carbon nanotube, CNT）薄膜具有优异的比强度和比韧性，同时具有优良的导电性和储能特性，在人工肌肉、电子屏蔽及冲击防护等领域都具有广泛的应用前景。然而，目前相关研究主要集中在CNT薄膜的准静态力学性能，其抗冲击力学性能方面的研究尚欠缺。通过实验研究CNT薄膜在中、低速压入穿透下的力学行为，结合数值模拟分析发现：直径为1 mm的钢珠穿透单层CNT薄膜的临界穿透速度约为25 m/s，最大吸能对应的速度约为30 m/s；双层CNT薄膜的临界穿透速度约为40 m/s，最大吸能对应的速度约为60 m/s。与冲击破坏孔洞相比，准静态下CNT薄膜的破坏孔洞边缘更薄，拉伸变形更明显。通过水、润滑油、高真空润滑脂等中间界面改性，可以提升双层CNT薄膜的抗冲击力学性能和吸能效果。研究结果有助于更好地理解CNT薄膜的吸能机理，为防护结构设计提供参考。

通过厚壁圆筒爆轰坍塌实验和有限元数值模拟，研究了45钢柱壳内壁表面粗糙度对其剪切带行为的影响。实验结果表明：外爆加载下，金属柱壳内壁表面粗糙度显著改变试样剪切带的成核位置和数量；当柱壳内壁表面粗糙度增大时，剪切带的数量和长度均增加，部分剪切带的扩展速度也增大；而当柱壳内壁表面的峰谷单元的平均宽度减小时，其剪切带的成核点数量增加，相邻剪切带之间的相互作用增强。有限元模拟和分析结果表明，柱壳中的最大剪切应力产生于柱壳内壁表面峰谷单元的谷底两侧，表面粗糙度的增大和峰谷单元平均宽度的减小均会提升柱壳内表面的剪切应力，促进柱壳中剪切带的成核和扩展，进而导致剪切带成核数量增多，主剪切带发展加快，剪切带屏蔽效应增强。

采用分子动力学方法研究了拉伸加载下HMX基PBX界面力学行为的应变率依赖性。模拟结果显示，PBX的拉伸强度和弹性模量随着应变率的增加而增大。HMX-F2311的断裂方式与应变率相关：初始应变主要集中于黏结剂F2311，在低应变率下形成了一条大致垂直于加载方向的主裂纹；随着拉伸应变率的增加，破坏路径将分布在整个模型上；PBX的断裂失效是由于黏结剂F2311的脱粘。在单轴拉伸加载过程中，HMX-F2311的势能随拉伸应变率的增加而迅速增大，尤其在高应变率拉伸加载下，范德华力相互作用对势能的演变起到了决定性作用。分子动力学模拟揭示了应变率对HMX-F2311界面微观结构、力学行为和断裂损伤机制的影响，对PBX的设计、制备和安全使用具有重要意义。

基于内凹六边形蜂窝模型，对内凹六边形蜂窝结构在不同冲击倾角（0°～10°）与不同冲击速度（6～100 m/s）下的面内动态力学响应进行了系统研究。采用一种新的截面计算公式，能够反映斜冲击下蜂窝结构与冲击板接触面积的变化和斜冲击过程中应力从局部到整体的变化，有效地捕捉了蜂窝结构的初始峰值应力。研究结果表明：内凹六边形蜂窝结构在斜冲击与正冲击时的变形模式不同，在低速斜冲击下为局部变形，在中高速斜冲击下为整体变形，而在正冲击下均为整体变形。与正六边形蜂窝结构相比，内凹六边形蜂窝结构受到负泊松比效应的影响，在相同工况下内凹六边形蜂窝结构的变形晚于正六边形蜂窝结构，变形模式产生延迟。此外，结合能量吸收时程曲线，对比分析了两种截面计算方法下的平台应力。可为蜂窝结构在斜冲击下的承载和稳定性研究提供依据。

为提高圆柱壳结构在轴向冲击载荷下的力学响应，设计了多层层合多孔圆柱壳结构，通过改变层合方式以及孔单元数目研究其力学行为。通过准静态压缩实验验证有限元分析的有效性，使用有限元模拟方法研究了结构在轴向冲击载荷下的变形模式和吸能特性。从层合多孔圆柱壳的压缩力-位移曲线得到总吸能、峰值压缩力和平均压缩力等指标。对比不同模型之间的吸能和压缩力特性，结果表明：改变层合方式对圆柱壳吸能效果影响较显著，增加孔单元数目对多孔圆柱壳吸能效果影响较小。对比正、负泊松比两种多孔圆柱壳，同等质量内凹圆柱壳总吸能较六边圆柱壳平均提高了17%。

基于有限元-光滑粒子流体动力学（FEM-SPH）自适应算法，采用有限元软件LS-DYNA对动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性进行了数值模拟，并结合量纲分析方法，分析了动能块的质量和撞击速度对多层防护结构穿孔特性的影响。结果表明：保持其他参数不变，在所研究的质量和撞击速度范围内，所有的动能块均可以穿透全部17层铝合金板，并在靶后形成碎片云，在撞击过程中动能块和铝合金板内部出现层裂现象；第1层铝合金板的穿孔直径随着动能块质量的增大近似呈幂函数增大，拟合误差在5%以内；第2层铝合金板的穿孔直径随着撞击速度的提升也呈幂函数增大，拟合误差在10%以内；碎片云的头部速度随着撞击速度的提升近似呈线性增大。研究结果可为后期分析靶后碎片云的质量与速度分布、建立冲击载荷模型奠定基础。

为了提高纤维复合材料构件抗冰雹载荷性能，基于腔棘鱼鳞独特的双螺旋结构，建立了以碳纤维增强复合材料为基体的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构数值模型，并验证了该仿生结构模型的有效性。对比分析了双螺旋仿生结构和正交层合结构的毁伤特性，进而探究了冰雹撞击能量及分布密度对该双螺旋仿生结构动态响应的影响。结果表明，双螺旋仿生结构在冰雹作用下的毁伤程度低于相同密度条件下的正交层合结构。当撞击能量达到1149.3 J时，正交层合结构出现了明显的基体破碎及纤维断裂，而双螺旋仿生结构仅表现为撞击区域的浅表分层并伴随少量纤维断裂。双螺旋仿生结构在冰雹撞击下的力学响应可分为3个阶段。随着撞击能量的增加，撞击区域首先发生基体拉伸，撞击点临近区域发生分层及面外凸起；进而分层区域向四周扩展，在冰雹的持续加载下撞击位置的位移达最大值；此后，仿生结构出现回弹直至稳定。该双螺旋仿生结构的能量吸收比率及接触力均随撞击能量的增加而线性增大。在相同质量冰雹的作用下，随着冰雹分布密度的增加，双螺旋仿生结构的上表面损伤程度减小，下表面损伤区域增大。研究结果为基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞仿生结构在冰雹载荷下的轻量化设计奠定了基础。

薄壁夹芯结构因其优异的吸能和轻量化特性被广泛应用于防护结构中。正弦波纹夹芯圆柱壳的制备工艺简单，在工程上应用广泛，研究其在冲击载荷下的轴向变形行为和吸能特性具有重要意义。基于准静态轴向压缩实验，对正弦形波纹夹芯圆柱壳的轴向准静态压缩进行了有限元模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上，探讨了夹芯圆柱壳芯层厚度A和正弦波周期数N对冲击载荷作用下夹芯圆柱壳的压溃模式和能量吸收特性的影响。结果表明，合理配置A和N能够有效地提高比吸能，实现较理想的吸能变形模式。在准静态压缩下，结构参数为A3N12的夹芯圆柱壳具有最好的比吸能,为轴对称变形。在冲击载荷作用下，发生非轴对称变形模式的A7N12具有最好的比吸能和最高的平均压缩力效率。

为了研究乳化炸药水下爆炸载荷输出特性，开展了乳化炸药水下爆炸实验，通过改变药量、爆距、爆深等参数，得到了不同工况下乳化炸药水下爆炸冲击波和气泡载荷典型参数，分析了其能量输出结构，并将实验结果与TNT炸药水下爆炸载荷计算公式进行对比，获得了乳化炸药水下爆炸载荷的TNT当量。结果表明：Geers-Hunter载荷公式可以预测乳化炸药水下爆炸载荷输出的一般规律，特别是气泡脉动周期；气泡脉动压力峰值是初始冲击波压力峰值的10%～20%，气泡能是冲击波能的2倍左右；脉动压力变化呈现先缓慢上升达到峰值后急速下降趋于零并保持平稳的态势，波形上升沿耗时普遍比下降沿耗时长；乳化炸药水下爆炸在等冲击波超压和等气泡脉动周期下的TNT当量平均值分别约为0.595和0.646。研究结果可为乳化炸药的水下爆炸应用提供重要参考。

孔结构装甲在满足抗侵彻性能的同时需实现减重，因而轻量化设计具有工程实际意义。以孔结构装甲的轻量化为设计目标，抗侵彻性能为约束条件，考虑不确定性因素的影响，开展孔结构装甲的可靠性优化设计。样本点采用最优拉丁超立方法设计生成，孔结构装甲抗侵彻仿真的参数化建模及响应计算通过商业软件ANSYS的二次开发实现，引入Kriging代理模型和期望改变量（expected improvement, EI）加点法构建性能函数，最后采用序列优化与可靠性评估方法（sequential optimization and reliabilityassessment, SORA）进行可靠性优化设计。结果表明，可靠性优化后，孔结构装甲在满足抗侵彻性能和相关可靠度指标的前提下，可有效地实现减重11.5%。研究结果可为其他抗侵彻防护结构的可靠性优化设计提供参考。

隧洞爆破周边孔不连续装药结构是影响光面爆破效果的重要因素之一。基于秘鲁圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞工程，针对现场爆破施工方案超挖现象，采用ANSYS/LS-DYNA建立周边孔不连续装药结构数值计算模型，分析了不同药卷间距下周边孔模型的围岩爆破效果；选择最优的周边孔装药结构设计方案开展现场爆破试验，对比验证了装药结构设计对隧洞超挖的改善效果。结果表明：当周边孔药卷间距小于350 mm时，爆破不会出现欠挖现象，且超挖范围随着药卷间距的增大而减小；当周边孔药卷间距大于400 mm时，爆破效果开始出现欠挖现象，且随着药卷间距的增大，欠挖范围增大。通过数值模型对比分析得出周边孔的最优药卷间距为350 mm，采用优化后的爆破设计方案进行爆破试验，得到的超挖范围明显减小，最大超挖距离由43 cm降至30 cm。