定义构形和图元、子图案、图案的概念；建立图案的层次表达模型以描述图案结构，建立图案本体模型以明确图案属性关系；模拟自然语言的语法结构以建立适用于形式化表达图案构形的改进形状文法，并基于该文法给出手动和自动提取构形的方法；提出构形规则重用方法，使用本体约束消除轮廓重叠，并给出基于层次表达模型的子图案组合重用设计与基于构形规则编码参数的图案渐变设计方法，使重用结果更加丰富.实验证明，所提出的方法能够有效地提取和重用图案的构形，实现复杂图案的快速设计.

利用COMSOL、Fluent和EDEM软件，仿真预测出不同磁悬浮装置下样品密度与悬浮高度之间的函数关系.在理论分析磁悬浮检测装置与原理的基础上，采用COMSOL软件模拟装置的磁场分布，通过拟合得到中心线上磁场强度表达式，并利用Fluent与EDEM软件耦合预测样品的悬浮高度.通过不同密度、不同磁铁间距的磁悬浮分组实验，验证数值仿真结果的正确性.实验结果表明，当磁铁间距为45 mm时，样品密度与悬浮高度呈线性关系，测量偏差为-0.001 5~0.013 0 g/cm³；当磁铁间距为60 mm时，样品密度与悬浮高度服从多项式函数关系，测量偏差达到-0.006 4~0.013 0 g/cm³.该数值仿真方法使用方便且密度检测精度高.

为了避免硬岩隧道掘进机（TBM）刀盘受困，提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归（NSVR）预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据，研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系，得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系：随着围岩强度由强到弱，推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱，刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系，建立刀盘扭矩NSVR预测模型，并将该模型应用于吉林引松隧道工程，对按1：1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明：训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%，测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本，占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明，在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下，建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.

利用Stroh公式结合半逆解法，得到裂纹尖端附近的场解和场强度因子解，并利用权函数方法求解裂纹尖端的能量释放率.结合算例，探讨不同集中载荷作用下场强度因子和能量释放率的变化规律，并分析无限远处均匀载荷作用时裂尖附近的应力和位移，与椭圆孔以及相应的退化结果对比验证.结果表明，在裂尖附近作用集中载荷，对力强度因子以及电位移强度因子有显著影响，能量释放率是电场、声子场、相位子场、声子场-相位子场耦合效应以及电场-声子场耦合效应共同作用的结果，且应力强度因子、电位移强度因子和能量释放率共同表征了裂纹扩展过程中的应力集中以及扩展的大致方向.

针对脆性多裂纹扩展问题，基于近场动力学（PD）理论开展本构建模与数值方法研究.在常规微弹脆性本构模型基础上引入物质点对的转动，同时在本构力模型中增加能够反映物质点间长程力尺寸效应的核函数，提高计算精度、效率和结果的稳定性.构建能够以统一的模型和算法自然模拟脆性多裂纹扩展全过程的PD数值体系.通过定量分析确定最佳近场尺寸及核函数，通过双裂纹巴西圆盘和多裂纹脆性板的破坏过程模拟验证所提模型和算法，结果表明：改进型PD模型和数值方法可以定性、定量分析脆性多裂纹扩展问题.模拟单轴拉伸荷载作用下双裂纹脆性板的裂纹扩展过程，得到了初始裂纹分布情况对结构破坏形式和承载能力的影响规律.