氦（He）是元素周期表第2号元素，也是宇宙中除氢以外含量最丰富的元素，广泛存在于恒星和气态巨行星（gas giant planets）的内部高压强（高压）极端环境中。氦因其满壳层的电子结构具有极强的化学惰性，极难与其他元素结合形成化合物。近年来，多项研究工作表明，惰性氦在极端高压条件下具有“不简单”的物理行为，如通过计算“预言”了在高压下稳定的铁氧氦化合物FeO₂He和具有反常原子传播的水氦化合物He-H₂O等。这些研究工作不仅有助于发现新的化学成键范式，也有力推动了高压物理、地学和行星科学等相关领域的研究进展。本文重点介绍了高压下氦化合物的相关研究进展，聚焦讨论氦化合物在高压下稳定的物理机制，并对未来在高压下设计和制备新型氦化合物的相关研究进行展望。

爆炸荷载作用下建筑构件的动态响应与损伤破坏的试验研究对于结构抗爆设计具有重要的参考价值。为了探究激波管参数对末端荷载峰值和持时的影响，首先，基于商用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了典型激波管试验的数值模拟，通过对比膨胀段末端反射超压和测试构件的挠度时程，验证了激波管有限元模型、参数取值和数值分析方法的准确性；然后，设计了末端尺寸为3 m×3 m的激波管，开展了激波管几何参数和驱动段超压对末端反射超压的参数影响分析，结果表明：超压峰值和持时随驱动段长度、直径和超压的增大而增加，随膨胀段角度减小而增加；最后，给出了基于反射超压峰值和持时的激波管设计方法，并通过设计算例进行了验证。

为分析超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE）的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响规律，采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆对UHMWPE纤维束进行静、动态拉伸实验，获得了不同应变率下材料的应力-应变关系，并进一步开展了UHMWPE纤维织物的超高速碰撞数值模拟。结果表明，UHMWPE的拉伸模量和强度均随应变率的升高而逐渐增大。随着材料应变率敏感系数的增大，防护结构对弹丸动能的吸收率呈现先减小后增大的趋势。

为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能，采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验，获得0.001～0.1 s⁻¹及1128～1840 s⁻¹应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明，动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此，引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测，发现动态加载下纤维束平整断裂，而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载，动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应，引入宏观损伤累积量，建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明，该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。

为探究围压条件下伟晶辉长岩的能量释放与破坏模式的关系，利用霍普金森压杆和LS-DYNA数值模拟软件对伟晶辉长岩开展了不同围压和不同冲击速度下的动态力学性能测试，分析其在不同围压和应变率下的能量释放特征及破坏规律。结果表明：高围压下，试样无明显塑性变形阶段，且围压状态对高应变率下的动态抗压强度有抑制作用，当冲击气压高于0.4 MPa时，动态抗压强度的增长趋势放缓；应变率和围压对伟晶辉长岩的能量与破坏模式有显著影响。随着围压的升高，试样的反射能占比增大，而透射能占比减小；能耗密度随应变率的增加而增大，当应变率为95 s^–1时（对应的冲击气压为0.4 MPa）出现拐点，同时高围压下的能耗密度大于低围压下的能耗密度。对于处于围压下的试样，其破坏断面多带有一定的角度，通过LS-DYNA有限元软件模拟了试样在围压下的动态破坏过程，发现中低围压下试样多呈剪切破坏，而高围压下试样有多条剪切裂纹发育贯通，呈复合破坏模式。

航空飞行器在飞行过程中不可避免地受到冰雹冲击的威胁，严重危害航空器的飞行安全。目前，天然冰材料的冲击特性尚不明确，为此，依据ASTM F320-21标准《航空与航天透明外壳冰撞测试》，研究了不同应变率下天然冰材料的力学性能。天然冰相对于人工冰雹具有密度低、强度高的特点，结合冰雹制备标准，制备了含棉纤维质量分数为0、3%、6%、12%的冰柱试样。利用万能试验机对冰试样进行应变率分别为10⁻⁴、10⁻³、10⁻² s⁻¹的压缩实验，分析了棉纤维质量分数与应变率对冰试样压缩力学性能的影响，以及破坏形式与临界应变能密度的关系。结果表明：透明冰在应变率约为10⁻³ s⁻¹时由韧性向脆性转化，且添加棉纤维有助于提高冰的压缩屈服强度，在压缩过程中表现出“裂而不碎”的现象；在准静态压缩下，两种冰模型破坏时转化为裂纹表面能所需的能量均比转化为塑性能所需的能量更少。

为研究含水率对硬岩材料的力学性质和能量损伤的影响规律，对不同含水状态的砂岩开展了单轴压缩试验。结果表明：砂岩试样的峰值应力、弹性模量和脆性指数随着含水率的增大而减小，峰值应变随着含水率的增大而增大；在干燥状态下，砂岩试样在破坏之前未发生明显的塑性变形，表现出显著的脆性破坏，而在饱水状态下，砂岩试样在峰前阶段出现显著的塑性变形，破坏前出现屈服平台；砂岩试样的含水率越大，吸能能力越强，能量吸收率越小，但是能量耗散越显著；砂岩试样的含水率越小，破坏时其损伤变量越大，在干燥状态下砂岩试样的破坏具有较强的冲击倾向性。研究结果可为深部地下工程围岩的稳定性控制提供理论参考。

为实现多孔格栅类结构平台应力和能量吸收的可调控，提出了一种双应力平台星形结构的设计方法，设计并制备了3种双应力平台星形结构。采用实验、理论分析与数值模拟相结合的方法研究了结构在面内压缩载荷下的力学行为和能量吸收性能。结果表明，双应力平台星形结构的载荷-位移曲线呈现两个明显的平台阶段，结构的几何参数和肋板数对结构变形的稳定性以及平台应力的大小存在显著影响。平台应力的理论预测结果与实验、数值模拟结果吻合较好。通过调整相应的设计参数，能够有效地调控结构在压缩过程中的平台应力和能量吸收能力。为了进一步提高双应力平台星形结构的能量吸收性能，以结构的质量和比吸能为设计变量，进行了多目标优化。采用基于径向基耦合多项式函数代理模型和遗传算法（NSGA-Ⅱ），使结构比吸能最大化的同时质量最小化。与最初设计的结构相比，优化后结构的质量减小了6.0%，比吸能提高了21.5%。

提出了不同几何结构的新型圆形手性多胞管，开展了其在相同壁厚、相同质量条件下的耐撞性分析。研究结果表明：与传统圆管相比，圆形手性多胞管具有更好的耐撞性能；相同壁厚条件下，比能量吸收和冲击力效率比传统圆管最高分别高出66.19%和49.11%；吸能效果最好的CCMT7-20（肋板数量为7、内圆直径为20 mm）与耐撞性能最差的CCMT4-40（肋板数量为4、内圆直径为40 mm）的圆形手性多胞管相比，比能量吸收和冲击力效率分别高出30.83%和22.87%。肋板数量、内圆直径和壁厚对结构耐撞性的参数化研究表明：能量吸收、初始峰值力均随着肋板数量增加而增大，比能量吸收随着肋板数量的增多变化并不明显。能量吸收、比能量吸收和冲击力效率均随着内圆直径增大而减小，管壁增厚会提升结构的能量吸收，但其初始峰值力也会相应增大。

增材制造技术促进了复合材料的发展，也拓宽了复合结构的设计空间，然而基于增材制造的复合材料动态力学性能研究仍然面临研究方法欠缺、设计过程复杂等问题。利用分离式霍普金森压杆实验技术和ABAQUS有限元模拟，研究光固化3D打印两相复合材料的动态力学行为，结合主成分分析法建立复合结构的数据集，通过高性能的卷积神经网络学习复合材料结构与应力-应变曲线的关系。结果表明，含有界面单元的有限元模型更适用于模拟复合材料的动态力学响应，通过超参数的设置可以提高卷积神经网络的预测性能，训练完成的卷积神经网络能够根据结构快速预测复合材料的动态应力-应变曲线。此研究对机器学习在复合材料动态力学性能设计与应用具有一定的借鉴意义。

为研究聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能，对在空爆载荷下的聚脲/铝结构进行了数值模拟，并与文献中的试验结果进行对比，验证数值模型的准确性。在此基础上研究了等质量条件下，复合结构层数、复合结构中金属铝的体积分数以及聚脲层位置对靶板中心点挠度的影响，分析爆炸过程中结构的能量吸收特点。结果表明：在等质量下，聚脲/铝分层复合结构存在最优的结构设计；在所讨论的结构中，除铝体积分数为90%的4层结构外，其他结构的抗爆性能均优于均质铝板，铝体积分数为10%的一层结构的抗爆炸性能最好；聚脲涂覆位置影响结构的抗爆性能，且聚脲涂覆在背爆面时抗冲击性能更优；铝板的内能吸收是复合结构能量吸收的主要部分，铝板的内能吸收比例随着铝体积分数的增加先减小后增大。研究结果可为聚脲/铝复合结构的抗爆设计提供参考。

为改善蜂窝结构共面的力学性能，基于传统六边形蜂窝结构，建立了六边形层级蜂窝结构，并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层，复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关；层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关；不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能，且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%，能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。

基于混合截面的设计思路，针对星形混合多胞管（star-shaped hybrid multi-cell tube，SHMT）提出了10种截面设计方案。通过数值模拟的方式，深入分析了SHMT在多种冲击角度下的耐撞性。研究发现，混合截面的连接方式以及多边形边数均对星形混合多胞管的吸能性能产生重要影响。在轴向冲击下，采用顶点连接的SHMT（SHMT-V）对于多边形边数的变化较为敏感，八边形SHMT-V（SHMT-V8）的比吸能高达24.31 J/g，相比于四边形SHMT-V（SHMT-V4）提高了71.86%；采用中点连接的SHMT（SHMT-M）拥有更强的力学响应，其碰撞力性能比SHMT-V高30%以上。在斜向冲击下，SHMT的承载能力随着冲击角度的增加而减小，截面不同的SHMT的耐撞性能表现出较大的不确定性。采用优劣解距离法对SHMT的综合耐撞性进行了评估。结果表明，八边形SHMT-M（SHMT-M8）是最优的截面设计方案。研究成果可为薄壁结构的实际应用与耐撞性优化设计提供指导。

为减少回采过程中残留顶底柱资源浪费，以赤峰柴胡栏子金矿为研究对象，基于LS-DYNA有限元软件，建立挤压爆破崩落放矿回采底柱数值模型，根据0.7、0.8、1.0 m 3种最小抵抗线和0.8、0.9、1.0 m 3种孔距设计9种方案，通过分析炮孔爆破过程中爆炸裂纹扩展与压力演化、有效应力和有效塑性应变时程曲线以及矿石的损伤情况，获取各方案的评判指标。采用模糊层次分析法构建目标相对优属度矩阵和模糊判断矩阵，通过综合评判选出最佳的爆破方案。结果表明：最小抵抗线取0.7 m、孔间距取0.9 m为挤压爆破崩落放矿回采底柱的最佳爆破参数。现场试验结果表明，使用优化后的爆破参数获得的爆破效果更好。

网侧套管是变压器的重要组成部分，在使用过程中因绝缘击穿现象可能引起套管内部冷却油爆炸，给变压器箱体造成很大的安全隐患，因此开展网侧套管爆炸事故的定量评估具有重要意义。通过非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了二维变压器套管模型，采用光滑粒子流体动力学法对变压器套管在内部爆炸作用下的动态响应进行了模拟，分析了不同参数对套管破坏特征的影响规律。通过基于套管径向粒子速度曲线的稳定性判断方法，评估了各套管的失稳时间。结果表明：在内部爆炸作用下，套管管壁中部在内外壁拉压联合作用下率先产生破坏，在冲击波传播过程中套管整体损伤呈凸状变化趋势。过高的爆炸当量、冷却油的存在和初始裂纹缺陷对套管保持稳定有较大影响。爆炸当量的减小可以使套管破坏模式由双向剪切破坏向受拉破坏转变，整体稳定性也随之增强。当爆源位于引线外壁时，冷却油流体所辐射出的冲击波不仅使套管失稳时间有所提前，还会造成外壁膨胀破坏范围变大。应力集中现象和有效壁厚的减小使含初始裂纹缺陷套管剪切破坏失稳现象发展迅速。

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制，考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响，提出了页岩的有效应力-渗透率模型，该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论，建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型，该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据，验证了该模型的有效性和准确性。结果表明：(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2) 探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制，发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”，温度越高，渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3) 分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制，发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”，孔隙压力越大，温度对渗透率的影响越小。(4) 分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析，发现泊松比越大，渗透率比值梯度越大，孔隙体积模量越大，渗透率比值梯度越小。恒压条件下，当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值，渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下，当朗缪尔体应变小于临界值时，渗透率的演化规律不呈现“U形”。