为提高折展机构的折展率和支撑性能，提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先，提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构，利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响，发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量，且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后，根据泊松比的定义，设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构；基于螺旋理论，通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1，将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后，建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机，进一步验证了机构的变泊松运动特性，这可为后续的研究提供理论基础。

高性能液压缸的生产工艺柔性大，加工周期长，其生产属于典型的非标、单件小批量离散型制造模式，在设计和生产中难以优化和控制。针对液压缸生产企业在使用数字化设计和流程管控软件时软件集成度低和耦合度高的问题，设计了一种高性能液压缸数智化设计与制造平台。通过可重构中间件技术，该平台集成了AutoCAD、SolidWorks等软件接口，并在融合神经网络算法和多目标优化技术的同时，构建了图库、工时预测、柔性工艺规划等数字化设计和生产管控模块。该数智化设计与制造平台可以实现设计与制造过程的全生命周期管控，为制造企业实现数智化转型提供有力支撑。

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度，对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先，基于压电片变形镜的参数化有限元模型，提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后，通过正交遍历多维设计参数（光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等），探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后，优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案，并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明，所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期，验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性，这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。

为了解决挖掘机作业阶段识别方法可靠性较低的问题，提出了一种基于信息融合和多粒度级联森林模型（information fusion and multi-granularity cascade forest model，IFMCFM）的智能识别方法。利用信息融合技术将挖掘机作业阶段的类别概率向量与高重要度特征进行融合，形成新的识别特征；将新特征输入级联森林模型，采用不同比例的训练集对模型进行训练并对识别结果进行分析；将IFMCFM的识别结果与DAGSVM（directed acyclic graph support vector machine，有向无环图支持向量机）、PCA-SVM（support vector machine based on principal component analysis，基于主成分分析的支持向量机）、LIBSVM（library for support vector machines，支持向量机库）和LSTM（long short-term memory，长短期记忆）的识别结果进行对比。研究结果表明：当训练集比例为80%时，IFMCFM的识别准确率、召回率和F₁（精确度和召回率的调和平均数）指标分别为95.00%，95.17%和95.02%，识别效果较优；相比于其他识别模型，IFMCFM的识别准确性和可靠性最高。IFMCFM可以有效地识别挖掘机作业阶段，具有较高的应用价值。

冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素，设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征，基于Voronoi算法，开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布；参考骨质内疏松外紧密的排布特征，进行分区设计，来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金及激光选区烧结碳纤维/PEEK（polyether ether ketone，聚醚醚酮）复合材料仿生薄壁结构和均布蜂窝结构的抗冲击仿真，对比了2种结构的吸能特性。仿真结果表明：相比于均布蜂窝结构，在轴向冲击条件下，激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%；在侧向冲击条件下，最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

利用配分布曲线法构建无失效数据的可靠性评估模型时，往往采用E-Bayes或多层Bayes来估计失效概率，但因其估计能力有限，整体可靠度点估计精度不高。针对威布尔分布数据提出了一种新的双修正多层Bayes方法，用于改善失效概率估计，并完成可靠度点估计。在多层Bayes的基础上，通过修正失效概率上下限值来减小失效概率估计误差，然后结合加权最小二乘法和威布尔分布可靠度函数确定参数估计值和可靠度曲线，从而得到可靠度点估计。利用Monte-Carlo仿真试验，发现新方法能将参数估计相对误差控制在10%以下，并且得到的可靠度值更加趋近真值。通过实例分析发现，在超参数c取不同值的情况下，采用新方法得到的可靠度都更加接近工程实际。新方法适用性分析表明，形状参数\beta是影响估计精度的关键因素，且在\beta >\mathrm{2.2}时新方法具有明显的优势及良好的稳健性。研究结果可为其他寿命分布无失效数据的可靠性评估提供参考。

为了降低反应堆安全壳整体泄漏率测量试验风险和使泄漏率测量结果更加保守和可信，基于空气稳定准则、函数曲率准则和数据分布准则，提出了一种适用于我国核电机组的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的优化方法。结合法国电力集团的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间调整方法，明确了安全壳整体泄漏率测量试验结束的判定要求，并提出了增加安全壳内空气稳定判定准则和整体泄漏率测量终止判定准则的优化方法。以20组安全壳打压试验样本为例，计算了安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间。结果表明，共有17组样本满足优化条件，其中15组样本在16 h内满足整体泄漏率测量终止判定准则，其余2组样本分别在19.25 h和18.25 h内满足全部的验收准则。所提出的优化方法能够缩短反应堆安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间，其比法国的方法更为保守、可信。

在当前民用飞机舱门操作面板设计中，人机功效和界面设计缺少统一的标准和规范，设计过程过于依赖个人经验和自身偏好，导致所设计的操作面板在使用过程中人机功效较差。为此，基于人机工程学原理讨论了民用飞机舱门操作面板显示与操作的设计原则，并提出了一种集中式舱门操作面板及区域控制面板的设计方案。首先通过问卷调查来确定舱门操作面板的信息组织、编码、显示元素和显示形式等，然后构建舱门操作面板、区域控制面板以及飞机的三维模型，最后使用人机工程仿真软件DELMIA对操作面板的布置、按键尺寸和触及域进行了动态操作仿真。仿真结果表明，所设计的舱门操作面板增强了人机功效，提高了作业的安全性和效率，减少了空乘人员的误操作和工作负荷。所设计的操作面板和区域控制面板不仅实现了整机舱门的集中监控管理与区域作动控制，还能作为人机交互设备，适用于大中型宽体飞机的客舱和货舱，应用前景十分广阔。

永磁齿轮作为一种新型的磁力传动机构,主动轮与从动轮之间没有直接表面接触,是通过磁场相互耦合产生的磁力来实现力矩和功率的传递.为了对永磁齿轮的传动特性进行研究,对永磁齿轮的磁场进行分析计算,利用ANSYS有限元软件模拟永磁齿轮磁场在不同矩角时的磁感应线、磁感应强度的分布,得出永磁齿轮的矩角特性曲线.通过实验验证了永磁齿轮的矩角特性和低速时的啮合比.

针对目前掘进机截割时因产生大量振动而导致零部件受损及稳定性降低的问题，基于纵向截割工况，对新型纵轴式掘进机的振动特性进行分析和预测。首先，对掘进机截割头的受力进行分析，并运用Bekker沉陷理论对履带受力进行分析。然后，将履带与底板之间的接触力和截割载荷作为外部激励，采用拉格朗日方程建立掘进机的纵向非线性动力学模型。接着，基于Runge-Kutta变步长算法，利用MATLAB软件对掘进机动力学模型进行求解，并将求解结果与实验结果进行比较，验证了动力学模型的正确性。最后，利用所构建的动力学模型对不同支稳机构刚度下掘进机关键部位的振动位移进行预测。结果表明：在多个外部激励的复合影响下，掘进机整机的振动处于混沌状态，其横滚振动位移很小，俯仰振动占主导地位；随着支稳机构刚度的递增，掘进机关键部位的振动位移呈显著减小趋势，当支稳机构的刚度增大至初始刚度的3倍时，掘进机机身的振动位移减小了29%，截割臂振动位移减小了22%，截割头振动位移减小了20%。研究结果证明增大支稳机构刚度可有效减小掘进机的振动响应，这可为掘进机的稳定性提升和结构优化提供理论依据。

我国探月三期工程采用回转冲击钻对月表月壤进行预计深度为2米的采样作业，采样过程中钻头由于钻削产生的切削热完全由钻具本身导热传递。由于月球的超高真空度以及苛刻的温度环境，导热效率相较于地面钻探低。同时，由于钻进工况的未知性，钻具可能会形成局部高温区域，这会使钻具的整体性能降低，尤其对钻具的取心性能影响最大。通过EDEM软件，建立不同形状及颗粒大小的月壤颗粒微元模型，组成月壤仿真模型，基于高温小颗粒群法，开展钻进过程月壤热特性仿真研究，研究温升颗粒的分布规律，并根据这一分布规律建立温升颗粒数量与温升之间的关系式。另外，在模拟月壤钻进实验中，在原有的取芯钻具上补充若干温度测量点，通过光纤光栅传感技术，开展钻具热特性实验研究，获得了钻头不同位置区域的温升规律，以及回转转速、进给速率对钻具温度的影响规律。温升颗粒数量模型以及常规热特性实验均能实现钻具温升情况的预测，为后续钻具在拟实月球环境及恶劣工况下的热安全性研究提供依据。

集装箱正面吊运起重机（以下简称正面吊）在港口的实际作业中发挥着重要作用。随着社会对能源和环境问题的日益关注，正面吊的电动化趋势愈加显著，市场上电动正面吊的数量逐年增加。电耗性能直接影响电动正面吊的续航能力、作业效率和作业成本，是电动正面吊的重要性能之一。驾驶行为、作业工况、设备故障等因素均会对电动正面吊的能耗产生影响。为此，通过收集电动正面吊客户侧的实际运行数据，基于LightGBM（light gradient boosting machine，轻量级梯度提升机）模型，在微观和宏观两个层面分别对电动正面吊的行驶和作业过程进行能耗建模，并运用SHAP（Shapley additive explanations，沙普利加和解释）理论量化分析不同作业工况、作业行为对电动正面吊能耗的影响，同时识别设备故障所引起的能耗异常。结果表明，基于SHAP-LightGBM的能耗模型能够准确预测和分析电动正面吊的行驶和作业能耗，可为电动正面吊的设计、能耗策略优化提供有效的信息输入，同时可建立电动正面吊实际运行过程的理论能耗基准，有效指导驾驶行为和识别故障造成的能耗异常等。

动力电池是新能源汽车的核心部件，其电化学性能和热性能是决定新能源汽车能否规模化推广应用的关键，然而宏观尺度下的电化学性能和热性能既受到微观尺度下的电极材料特性的影响，又受到介观尺度下的电池结构参数的影响。为了揭示电池材料参数、电极结构参数和电池工作参数对动力电池性能的影响机理，以18650型镍钴锰三元动力电池锂为研究对象，通过构建电池电化学-热耦合模型，分别探究了上述各参数对动力电池电化学性能和热性能的影响规律，综合分析了电池材料—结构—性能跨尺度关联效应。研究结果表明：电池材料参数、电极结构参数、电池工作参数对动力电池性能的影响具有跨尺度强相关的特征。单一尺度下的动力电池设计及性能优化并不能得到最优结果，开展材料—结构—性能跨尺度设计及优化是动力电池安全性能和动力性能提升的根本途径。

多功能小型机器人具有广阔的应用前景。为满足不同的作业需求，设计了一种小型陆空变形两栖机器人，其既可以实现高效的地面移动，又能通过升空飞行来避开障碍物。该机器人采用双模式设计，地面模式采用两轮驱动的运动设计，飞行模式采用四旋翼飞行设计，2种模式的切换通过机器人倾转机构的支撑、伸展来实现。为了验证机器人的运动性能，首先采用SolidWorks软件建立了机器人整机模型，并对机器人进行运动学建模，推导得到了机器人模式切换过程的运动学方程。然后，对机器人舵机输出进行MATLAB仿真和开展机器人物理样机模式切换实验，得到的输出扭矩仿真结果与实测结果基本一致，其范围为0~250 \mathrm{N}·\mathrm{c}\mathrm{m}。最后，利用机器人物理样机开展地面移动和空中飞行测试，并对其运动过程进行分析，以验证机器人陆空运动及模式切换的稳定性。研究结果验证了所设计机器人的有效性，且其具有较长的续航时间，可为陆空两栖机器人的设计提供参考。

为了验证七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性，以及提高机器人工作效率和协调性能，提出一种结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法，对七自由度双臂协作机器人的空间运作模式进行分析和计算。首先，在Solidworks中建立七自由度双臂协作机器人的三维模型；然后，运用结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法计算七自由度机械臂的运动学逆解；最后，运用基于虚拟动力学模型的控制方法，仿真七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的夹取与搬运作业，以验证运动学逆解和分析双臂作业的适应性和稳定性。由仿真结果得到：双臂到达目标位置的X向误差为0.6 mm，Y向误差为0.5 mm，Z向误差为0.9 mm；到达预设位置的平均误差为0.5 mm；双臂协同抓取目标物成功率可达99.1%。由此可见，七自由度机械臂的运动学逆解满足预期要求，七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性有所增强。

在弹性和误差作用下，齿轮接触的高效、精准建模是研究齿轮传动精度的重要基础。为准确分析渐开线圆柱齿轮的弹性和误差对传动精度的影响，提出了一种考虑弹性误差的齿轮半解析接触模型。以渐开线斜齿圆柱齿轮为例，首先，结合齿轮的齿面方程与齿廓误差建立误差齿面模型，得到了误差齿面方程。然后，将解析法和有限元法相结合，建立了弹性误差作用下的齿轮半解析接触模型，并推导了其变形协调方程和力平衡方程。最后，建立齿轮的完整和局部有限元模型，通过提取接触齿面的柔度矩阵来计算齿轮的传动误差。应用所构建的半解析模型分析了齿廓误差和弹性变形对齿轮传动精度的影响规律，并与有限元仿真结果进行对比，验证了该半解析模型的高效性和精准性。研究结果可为渐开线圆柱齿轮在工程中的应用提供理论指导。

针对RV （rotate vector）减速器在工作过程中存在的零件磨损导致传动精度下降的问题，建立了考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度动态可靠性模型，进行传动精度可靠性分析，并对关键零件的公差以及摆线轮的修形参数进行优化设计。以某重载RV减速器为研究对象，利用Archard磨损公式对摆线轮的磨损深度进行计算，分析轮齿齿廓磨损的分布情况，并基于数值仿真数据利用高斯过程回归模型预测磨损量；建立了含动态磨损的RV减速器传动精度可靠性模型，用蒙特卡洛法求解其动态可靠度；建立了以传动精度动态可靠度为约束条件，以加工成本最低、额定寿命周期内最大磨损量最小为优化目标的优化模型，采用多目标遗传算法求得最优解。结果表明；优化后摆线轮的磨损量略微增大，而减速器的加工成本明显降低；优化后减速器传动精度可靠度得到明显提高，在额定寿命6 000 h内的可靠度满足预期要求。研究结果可以为高精度RV减速器的设计提供参考。

针对大小不同、形状各异的物体，机器人多指手的抓取规划和控制问题目前尚未得到完善的解决。为此，提出利用仿人手掌来提高机器人多指手的灵巧度以及扩大其工作空间，以降低抓取规划和控制的难度。首先，分析了人体手掌的运动特点，根据人体手掌的骨骼结构，研发了一种仿人手掌的机器人变掌机构，该变掌机构具有6个自由度，通过构型变换，可使安装于变掌机构的手指改变工作空间以及抓取点位置。其次，通过建立变掌机构的数学模型，分析已知抓取点个数和抓取点位置时变掌机构的6个自由度。然后，利用三维软件对变掌机构进行建模，并对其抓取动作进行仿真。最后，通过实验平台以及实物样机进行抓取实验，分别利用刚性手指、柔性手指对13种不同的物体进行抓取，验证了变掌机构的抓取能力以及适应性。该仿人手掌的机器人变掌机构能够简单快速地实现自适应构型，可以对尺寸、质量、形状差异较大的物体进行抓取，适用于二指、三指、四指的抓取，并且可连接刚性或柔性手指，既提高了机器人多指手的抓取质量以及适应性，又降低了其抓取规划和控制的难度。研究结果可对机器人多指手的普遍应用提供借鉴意义。

为了实现使连续体结构的体积约束和柔顺度最小的拓扑优化及解决采用经典变密度法引起的结构优化结果存在如灰度单元、棋盘格等数值不稳定问题，提出了一种新的拓扑优化方法。首先，采用改进的固体各向同性材料惩罚法作为材料插值方案，建立结构拓扑优化模型；其次，通过引入基于高斯权重函数的敏度过滤法和设计新灰度单元抑制算子来解决数值不稳定问题；最后，借助优化准则法求解优化模型。通过算例分析可知：新策略可以改进拓扑优化方法；新的拓扑优化方法具有收敛速度较快、能更好地获取柔顺度小且拓扑构型好的优化结构和抑制灰度单元产生等优势。研究结果为其他连续体结构的拓扑优化研究提供了新思路。

针对传统刚性采摘机械手适用范围小、环境适应性差及对果蔬损伤大等问题，设计了一种面向沙果采摘的刚柔耦合气动软体采摘机械手。根据沙果的结果特点以及采摘要求，确定了六指包裹式采摘形式。以龙丰果为例，建立了采摘机械手软体手指弯曲角度计算模型，确定了单指的弯曲角度；通过3种硅胶材料的拉伸对比实验，选定HY-E620型硅胶作为软体手指的材料；开展了多种结构对软体手指弯曲性能影响的ABAQUS有限元仿真分析，确定了较优的结构；利用实验测定了不同驱动气压条件下单根软体手指弯曲角度与输出力的对应关系，并在0.08 MPa驱动气压下对多种水果进行三指抓取实验，验证了软体手指结构的合理性。最后，试制了六指包裹式气动软体采摘机械手，并分别对沙果、苹果、梨和橘子等进行了采摘实验。结果表明：所设计的采摘机械手不仅对含3~6个果实的成串沙果的采摘成功率达到80％，还可采摘苹果、梨和橘子等类球形水果，具有一定的通用性，可为水果采摘机械手的设计与研究提供新思路。

为了提高两栖仿海龟机器人行走的稳定性，对其进行动力学建模，并基于PID（proportional integral derivative，比例积分微分）反馈控制策略提出了一种力/位控制模型。首先，根据机器人的运动学模型，得到了支腿的变换矩阵和雅可比矩阵，并利用虚功原理建立了足端与液压缸之间的力传递模型。然后，利用拉格朗日法对机器人进行动力学建模，推导了支腿的动力学方程，同时进行了动力学仿真，并将实时的足端受力导入动力学方程进行计算，验证了动力学模型的正确性。最后，搭建了液压仿真模型，并在ADAMS?AMESim?MATLAB联合仿真环境中开展了机器人运动仿真。仿真结果显示：与纯位置控制模式相比，力/位控制模式下机器人膝关节的转动更加平稳，液压缸的动力输出更稳定且功耗更小。研究结果对提高机器人运动的稳定性、增强运动控制系统的鲁棒性和提高液压系统的总效率具有借鉴意义。

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题，分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足，并以轮式爬壁机器人为研究对象，根据爬壁机器人的功能要求，设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量，同时提高其吸附可靠性，基于高磁能利用率的目标，采用SNLP（sequential non-linear programming，连续非线性规划）算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化，优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机，开展了吸附力测试实验和卸磁实验，并将其安装在爬壁机器人上，开展了运动性能测试实验，验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题，采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响，获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析，确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据，得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大，试样的柔性减弱；在4种超弹性模型中，Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果；4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考，为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

为研究轮式车辆的电涡流减振器在行进间冲击载荷下的动态特性，结合电涡流理论设计了一种永磁式电涡流减振器，并基于等效磁路模型和麦克斯韦方程分析了其导体筒表面空气间隙处磁感应强度与阻尼力之间的关系；同时，利用有限元法对永磁式电涡流减振器的静、动态磁场分布进行了研究，并分析了不同结构参数对其阻尼特性的影响及不同运动速度下的示功特性曲线。通过建立1/4车辆悬架动力学模型和基于高斯滤波白噪声的随机路面激励模型，对车辆行进间冲击载荷下永磁式电涡流减振器的动态特性进行了分析。结果表明：永磁式电涡流减振器的磁场在动态条件下会发生退磁以及磁感线趋速聚集现象，各结构参数对其阻尼特性的影响较大；永磁式电涡流减振器的响应速度快，压缩、复原阻尼力恒定且平稳，可以高效、快速地消除轮式车辆越野时受到的路面激励和车载武器射击时的冲击载荷，能够有效抑制车体振动。研究结果对提高轮式车辆的越野机动性以及车载武器的射击精度具有重要意义。

针对现有巡线机器人无法完全跨越所有地线障碍物的现状，提出一种新的巡线机器人越障方案.巡线机器人由单臂机构提供行走驱动力，双臂机构完成越障任务.该方案具有跨越所有障碍，且越障时动作简单，所需驱动力少的特点.通过理论分析及软件仿真的方法对巡线机器人越障关键环节进行分析，得到机器人越障过程的运动特性.在此基础上，制作出试验样机，并在模拟线路上进行越障实验，结果表明：该设计方案能完成预定的越障功能.证明了这种新的越障方案的有效性及可行性.