从核心专利技术的角度提出一种从根源上避开专利壁垒的规避设计流程．通过专利检索获取目标专利库，对目标专利库中的专利进行引证分析确定核心专利群，构建核心专利的系统结构树与功能树并建立模块-功能表确定规避范围，分析规避范围内的元件及其功能，确定元件的功能类型及功能等级，利用TRIZ工具解决问题得到新方案，并进行侵权判定；最后以汽车发动机活塞销压销装置为例验证该流程的可行性．

为了使立体仓库在更高的空间利用率条件下发挥最大的存取效率和服务能力，对现有立体货架的结构和搬运模式进行了分析，由此提出了一种新型多层立体仓库货架模型，即多层棋盘格式（multilayers chessboard based， MCB）立体货架模型．从二维角度看，MCB立体货架的货位排布方式类似于在矩形棋盘格内摆放棋子问题，针对如何实现MCB排布方式进行了货位排布算法研究，给出了问题描述、数学模型、算法设计，并构建了基于单件多品种随机存储的“棋子算法（chess pieces algorithm， CPA）”，对其进行实验验证.实验结果显示“棋子算法”能够合理并有效地解决MCB立体货架的货位排布问题．MCB立体货架能够使单件多品种随机存储立体仓库的空间利用率达到75%以上，并且为实现更高的存储效率奠定基础．

为了进一步提高掘进机的截割性能、降低截齿的磨损损耗，在学习了发明问题解决理论（TRIZ）的基础上，运用其中的冲突概念和冲突解决原理及问题求解等方法，针对如何优化截割头截齿排布、如何提高截割效率、如何改善截齿受力、如何降低截齿磨损等问题进行了TRIZ解析，并在第15条发明原理（动态特性原理）的启发下，得到了特定的解决方案——截齿变角度螺旋线排布，据此思想并结合常规的截割头设计手段，研发了3款截齿以不同方式变角度螺旋线排布的截割头，与原截割头一并进行了切割比能耗的试验，试验结果表明J23截割头性能比较高效、稳定，在此基础上稍加改动即可定型量产.

柔顺机构柔度稳健性是柔性机构在微机电系统与精密工程等领域广泛应用的前提和基础，但在实际工程中传统设计方法未充分考虑其稳健性.引入田口稳健优化设计方法，选取柔性铰链各结构参数为可控因素，工作载荷为噪声因子，通过正交试验数据分析得出各个可控因素的信噪比和贡献率，进而选出最佳的参数水平组合，并对柔度综合稳健性能的最优方案进行了验证．算例表明，采用田口稳健优化设计的柔性铰链柔度稳健性比传统方法信噪比水平提高了4.68 dB，降低了其质量损失，实现了柔性铰链柔度稳定性优化．田口稳健优化设计方法具有普适性，在实际工程应用中具有较高参考价值．

针对盾构机切刀切削土体仿真收敛困难、仿真结果震荡严重等复杂非线性问题，利用大型非线性有限元软件建立切刀切削土体有限元模型，并利用欧拉-拉格朗日耦合法(CEL法)对模型进行求解．利用CEL法得出的切削力大小约为80N，单元失效法（EF法）和自适应网格划分法（ALE法）的结果均约为50N，而利用理论公式计算出切削力大小约为78N，即文中方法结果更接近理论解．且发现CEL法得到的切削力比EF法和ALE法得到的结果收敛快、震荡小．最后，通过研究有限元网格大小对仿真结果的影响，发现CEL法相对于EF法和ALE法对网格大小敏感性低，一定程度上提高了切削土体计算效率．总之，所提出方法更适合工程实际中盾构机切刀切削土体仿真分析．

超前支护装备用于综掘巷道迎头顶板的临时支护，为提高超前支护工作稳定性和优化其结构，对其不同工况下的模态进行研究.在保证超前支护装备结构力学特性的前提下，建立超前支护装备的多自由度动力学模型，推导出系统运动微分方程，并对方程进行数值求解，得到特定激励下垂直方向的频响.通过ANSYS和Pro/E进行联合仿真，分别对其在全支撑和单组支撑状态下进行模态分析，得到超前支护的低阶固有频率和主振型，为动态特性的分析提供了参考.采用Polymax模态识别方法对实验样机模型在全支撑和单组支撑等工况下进行了测试，将测试数据与仿真实验结果进行比较，分析其动力学特征及固有频率，为相似支护设备的设计与研发提供理论依据.

为改善采煤机整机受力状态、优化导向滑靴导向支撑方式、降低牵引机构故障率、增强采煤机工作的安全性和可靠性，针对传统采煤机牵引机构特点，提出一种采煤机液压调姿牵引机构.给出了主要结构参数的设计计算方法，建立了液压调姿牵引机构的力学模型，确定了牵引机构传动箱壳体摆角范围为0~10°和实现机身调姿范围为0~30 mm，并分析了牵引负载变化对液压调姿牵引机构主要设计参数的影响.结果表明：当支撑点分别处于最高（θ=0°）和最低位置（θ=10°）时，牵引负载和油液可压缩性引起的相应牵引传动箱壳体摆动角度最大变化量分别为0.178°和0.0754°，支撑点高度最大变化量分别为0.009 5 mm和0.447 mm.研究表明，机身姿态受牵引负载变化和油液可压缩性共同作用的影响较小，液压调姿牵引机构可以满足对外负载变化的刚性需求.研究结果为采煤机液压调姿牵引机构的工程应用设计提供理论基础．

针对高温电连接器在高温环境下工作，在规定时间内能否保证接触件可靠接触问题，建立其三维仿真模型，利用有限元软件对外界不同高温环境下电连接器的温度场进行仿真分析，得到其内部插针、插孔接触部位温度最高值处随时间的温度变化规律，并利用电磁加热装置和热电偶测试不同温度环境下该接触处随时间变化的温度，从而验证了有限元热分析的正确性.通过灵敏度分析确定了导热系数是影响该接触处温度的主要性能参数.考虑该性能参数的随机性，运用六西格玛设计准则和拉丁超立方体抽样方法得到了接触处的温度服从正态分布.在不同温度环境下对接触件进行插拔力测试，得到了接触件插入力稳定值与温度的关系，得出接触件能满足接触工作要求的临界温度值，并据此计算出高温电连接器的接触可靠度.

由于结构布局优化存在设计变量类型众多和变量耦合等问题，采取合适的优化方法获得满足结构设计要求的最小质量的结构具有重要的工程意义.基于多学科设计优化方法中的并行子空间优化法，提出一种桁架结构布局优化的并行子空间优化方法.将结构布局设计问题按设计变量类型分为布局、形状和尺寸三个并行的子空间，设计变量在各自的子空间内单独优化，各子空间优化结束后，在系统级中协调3类设计变量，保持最小质量的子空间的优化设计变量不变，采用近似一维搜索的方法协调其他子空间的设计变量，然后进行下一次迭代直至收敛.2个算例表明该方法能够取得较好的优化结果，具有实际工程应用价值.

针对基于传统数学规划原理的多目标优化方法在实际工程优化问题中的脆弱性及现有一些多目标优化方法在应用时具有的缺陷性，提出了一种将改进粒子群算法与灰色决策相结合的多目标优化方法.联合MATLAB和VB，开发了一款基于该方法的便于工程应用的多目标优化软件.将该软件应用于掘进机铲板参数多目标优化，取得了良好的优化效果，验证了该方法的可行性，为工程实际中处理多目标优化问题提供了便利与借鉴．

提出用单杆附加方程构建机构的运动综合方程式.通过增加单杆矢量分量和附加方程，将含角度变量的机构运动综合方程式转换为一般的多项式方程组，并且显著减少了综合方程组的总次数和混合体积（又称BKK界）.如果从单杆矢量环路线性方程组中求出相应的单矢量分量公式，代入对应的附加方程，也可方便地推导出消除了中间变量的双杆组、三杆组公式.讨论了在四杆导杆机构中的刚体导引、函数生成和轨迹生成等综合问题上的应用，推导出相应的综合方程组.对综合方程的推导及对其总次数和混合体积的分析表明单杆附加方程法的方程组总次数接近于二、三杆组法，且其具有公式推导方便、模块性强等优点，理论上比双杆组法、三杆组法更容易用计算机来自动建立任意机构的综合方程.

硬岩掘进机（tunnel boring machine，TBM）在工作过程中会受到外界强振动的影响.为了研究强振动对其推进液压系统的影响规律，首先总结了TBM推进液压系统的工作原理，然后建立了推进液压系统在振动环境下的AMESim仿真模型，并用实验验证了仿真模型的正确性，最后分析了外界振动频率、振动幅值对推进液压系统推进速度波动的影响规律以及振动幅值、振动频率对液压系统频响特性影响规律.仿真结果表明：液压缸推进速度受外界振动影响较大，当外界振动频率为40~60 Hz时影响最为剧烈；外界振动幅值的改变对液压系统的影响比振动频率产生的影响小；推进液压系统的截止响应频率约为13 Hz，当外部振动频率大于系统截止频率时，系统的频响特性会迅速变差，液压缸难以对输入电信号作出相应的响应.

回流孔在自吸泵中通过液体回流蜗壳的方式达到改善自吸性能的目的，其位置和面积大小对自吸性能和效率有着显著影响.利用计算流体力学分析方法对带回流孔的自吸泵内部流动进行数值模拟，研究回流孔附近的流动特性，分析不同回流孔位置和面积对内部流动和泵性能的影响.结果显示，基于内流模拟预测的自吸泵性能与试验结果趋势吻合.在设计工况下，增大回流孔面积可使回流蜗壳的流量增大，在不降低泵性能的情况下明显改善泵的自吸性能|在大流量工况下，回流孔面积的增大导致蜗壳到气液分离室的泄露，从而带来较大的容积损失.回流孔在环向的位置主要对蜗壳内外压差产生影响，随着回流孔向隔舌靠近，蜗壳与气液分离室的压差逐渐变大，从蜗壳到气液分离室的泄漏损失增大，泵的效率降低.因此，对于特定的自吸泵，存在一个最佳的回流孔开孔面积和位置.

针对现有毛刷电接触对插拔力控制方法的缺乏，提出了基于插拔深度控制毛刷电接触对插拔力的方法，在插拔过程中建立毛刷电接触对的结构力学模型和有限元仿真模型，并对毛刷电接触对进行插入力试验.将结构力学模型、有限元仿真模型、插拔力试验所得的插入力随插入深度变化曲线进行对比分析，评估了随机插合等因素对结构力学模型的影响，进行了线簧孔、麻花针和毛刷电接触对在不同插拔深度的插拔力对比试验.结果表明，毛刷电接触对插入力大小与插拔深度成幂函数关系，当典型毛刷电接触对插拔深度为1.8～2.4 mm时，插拔力明显较同规格线簧孔、麻花针电接触对的小.基于插拔深度控制插拔力的方法为毛刷电接触对系列化扩展及参数设计提供了一定的参考.

针对语音辅助半自动泊车系统中的时滞导致泊车轨迹误差较大的问题，建立辅助泊车运动学模型，提出水平侧方车位泊车轨迹的规划方法和控制策略.采用3次多项式拟合推导出以车辆与目标车位横向间距D为变量的泊车轨迹分段逼近函数，仿真分析了语音辅助半自动泊车系统中时滞对实际泊车轨迹的影响.分别以泊车轨迹每段弧长为自变量，以泊车横、纵向偏差为评价指标，推导了各段轨迹弧长偏差与最终泊车位置偏差的关系，通过仿真对泊车路径偏差进行了容差分析，提出了基于查表法的泊车动态调整控制策略，并通过软件编程实现.最后通过4名驾驶员分组试验，验证了泊车动态调整策略的有效性.