在极端条件下，固态氢会经历一系列相变，理论预测其在足够高的压力下会演变为金属。由于金属氢被预测具有室温超导和超流等特性，其研究受到了学界的极大关注。然而，研究金属氢存在巨大的技术挑战：一方面，达到氢金属化的压力条件极为苛刻，至今对冷压下是否已制备出金属氢仍未达成共识；另一方面，超高压下氢的精确表征十分困难，特别是表征固态氢晶体结构的技术手段更是严重滞后。晶体结构作为了解一种材料的最基本信息，对其认知的匮乏阻碍了理解氢在高压下如何逐步演化为金属氢的过程。为此，着眼于超高压氢的晶体结构测量，发展了一套先进同步辐射X射线衍射方法，在室温下将氢的晶体结构测量扩展至254 GPa，将相关压力记录提高了一倍。介绍了相关的技术突破，探讨了在超高压下对氢进行晶体结构测量的方法以及存在的问题，以期为在更高压力条件下测量氢的结构信息做好铺垫。

含铁菱镁矿(Mg,Fe)CO₃是碳进入地球深部的主要载体之一，铁的进入会引起矿物物理性质的变化。采用第一性原理计算方法，研究了菱镁矿含铁及铁的自旋转变对菱镁矿热力学性质的影响。含铁菱镁矿的低自旋态体积比不含铁菱镁矿小；高自旋态在低温端的体积比不含铁菱镁矿略微增大，在高温端却减小；在所研究的温压范围内，低自旋态的体积始终比高自旋态的体积小。含铁菱镁矿高自旋态的热膨胀系数减小，而自旋转变会导致热膨胀系数增加。考虑高低两种自旋态共存时的热力学性质时，计算结果表明：自旋态共存时的热膨胀系数、速度在自旋共存区间内分别呈现异常增大峰和异常减小峰，并且这些异常变化峰随着温度的升高向高压方向移动。

利用自研的爆轰与冲击动力学欧拉计算程序和Steinberg-Guinan（SG）本构模型，数值模拟分析了样品初始参数（初始振幅、初始波长、样品初始厚度）和SG本构模型初始参数对爆轰驱动锡Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性增长的影响。结果表明金属锡样品的初始参数对其RT不稳定性增长有很大的影响。RT不稳定性增长随着初始振幅的减小而减小，且存在一个截止初始振幅；存在一个最不稳定的模态（波长），当初始波长大于该波长时，RT不稳定性增长随着初始波长的减小而增大，反之，RT不稳定性增长随着初始波长的减小而减小；样品厚度的增大可以抑制RT不稳定性增长，而且存在一个样品截止厚度。金属锡的RT不稳定性增长对其SG本构模型应变硬化系数和应变硬化指数的变化不敏感，而对压力硬化系数和热软化系数比较敏感。从采用扰动增长法预估材料强度的角度来说，修正压力硬化系数以获得锡合理的材料强度是合理的途径。

为了研究方形抛撒装置壳体破坏规律及燃料分散特性，开展了抛撒装置外场实验并利用LS-DYNA仿真软件进行了数值模拟，模拟结果与实验结果相吻合。进一步分析装置倒圆角及刻槽深度对壳体破裂效果及燃料分散速度的影响规律，结果表明：倒圆角与增加刻槽深度有利于减小壳体棱边处应力集中的影响，圆角半径增至10 mm或刻槽深度增至1.2 mm时，棱边处不再破裂；同一装置壳体边部和中部位置采用不同深度的刻槽可有效减少壳体破裂不均现象。当边缘处刻槽深度为1.2 mm、中间刻槽为1.6 mm时，壳体均匀破裂；当棱边处倒10 mm圆角，边部刻槽深度为0.8 mm，中部刻槽为1.2 mm时，抛撒装置既能满足壳体均匀开裂，又可提高壳体强度，同时可将燃料分散平均速度差值降低22%，从而有效提高燃料抛撒效率。

研究了聚偏二氟乙烯（PVDF）柔性压电传感器敏感单元设计关键技术和工艺。通过传感器敏感单元设计、电极制作、极化和封装研究实现功能，结合动态冲击压缩实验，对自主研制的PVDF传感器在不同压力段进行标定和A类不确定度评价，实验数据的A类不确定度优于10%，说明所研制的PVDF压电传感器精度高、重复性好，能够满足0.3～10.0 GPa动态冲击压力测量应用需求。目前产品设计水平已达到6级，后续将进一步开展更高压段有效性的应用设计、温度补偿效应研究和工程化产品设计。

为研究A型钝感炸药冲击起爆反应演化过程，进行了火炮驱动蓝宝石飞片的一维平面冲击实验。实验中采用光子多普勒测速仪（Photonic Doppler velocimetry, PDV）技术测量冲击起爆后台阶型炸药的粒子速度。在炸药不同厚度台阶的后界面固定镀铝膜的楔形氟化锂（LiF）窗口，利用阻抗匹配将PDV测量的LiF窗口波后粒子速度转化为炸药样品波后粒子速度。比较组合式电磁粒子速度计和PDV两种测速技术，结果表明，相较于组合式电磁粒子速度计，PDV测量的粒子精度更高。简要分析了PDV测速探头角度、探头孔径、窗口折射率等影响，得到PDV测速的相对不确定度小于1%。

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能，应用金属泡沫弹撞击加载的方式，结合高速摄像机，对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明：随着冲击强度的增加，中点变形响应速度随之增加，层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形，且局部化效应随之增加，并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加，并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。

金属材料广泛应用于国防工业和民用工程中，了解金属材料在强动载荷作用下的力学性能对武器和防护结构的设计和评估具有重要意义。通过在二级轻气炮上进行平板撞击实验，测定了93钨合金和921A钢在极高应变率下的动态屈服强度，详细介绍了实验的设计原理和实验数据的分析方法，并利用公式对93钨合金和921A钢的动态屈服强度进行分析。实验结果表明：93钨合金在应变率（冲击压力）分别为1.7 × 10⁵ s⁻¹（49.5 GPa）和3.1 × 10⁵ s⁻¹（84.1 GPa）下的屈服强度分别为2.10 GPa和2.78 GPa；921A钢在应变率（冲击压力）为3.6 × 10⁵ s⁻¹（38.1 GPa）、4.7 × 10⁵ s⁻¹（62.4 GPa）和6.2 × 10⁵ s⁻¹（90.1 GPa）下的屈服强度分别为2.08 、2.67 和3.15 GPa；在极高应变率下93钨合金和921A钢的动态增强因子为2～3。

建立了陶瓷梁受平头弹撞击的有限元模型，模拟了其冲击损伤演化过程，模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模型的合理性。在此基础上，建立了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁受相同弹体撞击的有限元模型，将其损伤演化过程与陶瓷梁进行了对比，并且分析了弹体撞击速度对两者损伤过程的影响。结果表明：在高速撞击下，陶瓷梁的损伤呈锥状扩展，梁发生整体性破坏，而仿珍珠母复合梁的损伤沿纵向（冲击方向）呈圆柱状扩展，梁发生局部性破坏，能更好地保持结构完整性；随着弹体撞击速度的增加，陶瓷梁的损伤范围加大，损伤程度加剧，而仿珍珠母复合梁的损伤范围在撞击速度高于一定值后变化不大，仅损伤程度增加。

探究岩石的受力特点及破坏特性是研究岩石地下工程安全性的关键，诸多学者都期望能在岩石本构模型的研究上取得突破性进展。在此背景下，提出了一种能够描述循环加-卸载条件下岩石的本构模型。首先，假设岩石的微元强度服从八面体剪应力理论并且微元破坏服从Weibull概率公式，将岩石本构中的损伤变量以及岩石微元强度表达式里包含的损伤因子进行本构变换，得到关于应力、应变等其他表现加-卸载下岩石损伤本构模型的参数，表示出岩石微元强度和损伤变量，再将得到的岩石微元强度和损伤变量代入所提出的岩石本构模型中，并进行等式变换得到一个函数表达式。通过将其与实验数据进行拟合对比分析，得出修正后的拟合参数，将其代入函数式中，得到损伤本构模型的修正式。最后将拟合参数进行必要的敏感性分析，得出各拟合参数的实际物理意义。

基于晶体塑性理论研究了晶体织构对数值计算结果的影响，建立了带有织构的多晶体压剪试样（SCS）模型。从材料和试样结构两方面研究了静态加载条件下微观晶粒在有限变形过程中对试样宏观力学性能的影响。由于模型几何结构的特殊性，重点对模型斜槽部分的应力、应变及变形特点进行了分析。考虑到试样在压缩过程中受摩擦的影响，数值分析了不同摩擦系数对变形过程的影响，在此基础上计算了相同摩擦系数下不同晶粒数目、不同单元数目以及单元类型对多晶体压剪模型力学性能的影响，并对试件关键部位不同取向晶粒的应力状态进行了分析。

设计了超声速钻地结构弹，采用203 mm口径的火炮，开展了25 kg量级弹体在1 100～1 300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究，应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果，对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明：在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中，两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀，头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关，高强度G50钢材料更适合用于1 200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析，并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。

为解决瓦斯输送过程中的爆炸安全问题，探索寻找绿色环保且阻火性能优越的新型抑爆剂，开展了当量比下甲烷-空气预混气体爆炸传播过程中的七氟丙烷抑爆效果研究。实验采用长径比L/D=108的水平管道爆炸特性测试系统，研究了在强点火作用下不同体积分数的七氟丙烷对9.5%甲烷-空气预混气体最大爆炸压力、最大压力上升速率和火焰传播速度的影响。实验结果显示：将2.5 m长的管段作为七氟丙烷抑爆区时，七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的最小体积分数为5%；当七氟丙烷的体积分数为1%～4%时，不仅无法阻断爆炸火焰的传播，而且与对照组相比，会使火焰传播速度加快；当七氟丙烷的体积分数为1%～6%时，爆炸源及管道末端处的爆炸压力峰值随着七氟丙烷体积分数的增加而逐渐减小；当七氟丙烷的体积分数为3%时，抑爆区处的爆炸压力峰值与对照组相比增幅为10.9%。

基于相似模型试验，采用显式非线性动力分析程序LS-DYNA3D研究了地下锚固洞室在拱顶和拱腰侧两处集中装药爆源同时爆炸作用下应力波传播规律、裂纹形成机理以及洞壁围岩位移分布特征。通过对比分析顶爆试验和计算模型的压应力时程曲线，发现模拟与试验结果吻合，且符合应力波的传播规律，表明数值模拟结果可靠。爆源爆炸后，应力波以圆形向周围岩体传播，两应力波相遇处压应力强度明显大于周围岩体；当应力波传到自由面时，会反射形成拉伸波，在地表下方和洞室上方发生“层裂”现象，在拱顶和拱腰侧爆源中间沿洞室径向有裂纹延伸，由于拉伸波的叠加，在爆源下方出现“八”字形的锥形裂纹面。锚杆能够起到加固岩体的作用，锚固洞室比毛洞裂纹分布少，毛洞迎爆侧裂纹主要为横向裂纹，而锚固洞室则为径向劈裂和横向裂纹。两爆源中点洞室径向处的洞壁围岩位移峰值最大，极易产生破坏。

为了改善爆炸焊接质量，解决高噪低效的问题，选取Cu为复板、Q235钢为基板，采用LS-DYNA软件和光滑粒子流体动力学方法分别设计了均匀布药和梯形布药方案，研究了硝铵炸药对爆炸焊接界面波的影响。均匀布药结果显示：沿着爆轰方向碰撞压力逐渐增大；炸药量越多，碰撞压力越大，界面波波形越大。梯形布药方案中，通过改变炸药起爆端和末端的高度，设计了4种方案，结果显示：梯形布药可以消除爆炸焊接界面波不均匀现象，使界面波形尺寸基本保持一致，而且节省了炸药用量；当起爆端和末端的高度分别为67.2 mm和42.0 mm时，波形效果最好。通过研究界面波的形成过程可知，SPH法模拟的界面波形成过程与复板流侵彻机理的一致性较好，证明了复板流侵彻机理解释界面波形成过程的有效性。