类比设计的目标在于将其他领域的设计知识转移到目标领域，因此能够有效提高新产品设计的效率.按照类比源的不同，将类比设计分为基于人造系统的类比设计、基于生物系统的类比设计和基于规则的类比设计，并针对第2类类比设计进行研究.基于类比设计的过程，提出基于通用属性和通用操作的生物和技术功能的形式化描述方法，总结出通用属性特征集和通用操作特征集，并提供了一种定量化计算生物系统与产品系统之间相似程度的方法，归纳了将生物原型转化成为技术系统的流程.最后，以一种婴儿体温测温降温仪为例进一步验证本方法的有效性和实用性.

针对零件加工机床设备优选的问题，分析了影响机床设备选择的约束因素，建立了一种两级结构的多目标优选模型，包括加工时间T、加工质量Q、加工成本C、资源消耗R、环境影响E在内的5个优化目标；针对传统层次分析法（AHP）在构建机床设备优选判断矩阵时没有考虑评价工程师主观模糊性和指标属性的模糊性，导致机床设备优选的可信度和准确性降低的问题，提出并设计了基于三角模糊数的模糊层次分析法（FAHP）及模糊综合评价（FCA）用于机床设备优选的模型算法.在评价指标标准化阶段，采用隶属度函数进行数据标准化处理.结合某航空制造企业叶片榫头铣削用机床设备优选的案例，验证了该方法的可行性和有效性.

产品创新包括模糊前端、新产品开发、商业化三个阶段，而创新设想产生是模糊前端阶段的关键步骤.为向企业开发新市场破坏性创新（new-market disruptive innovation， NDI）产品提供技术支持，通过对新市场用户及其需求的创造，将产品设计由被动状态转变为主动状态，提供了面向模糊前端的NDI设想产生过程模型.由设计驱动创新方式的视角，给出了对TRIZ超系统资源的分类及分析方法；通过提取超系统资源的属性特征并对其进行变换，为NDI产品开发创造“设定用户”或“设定环境”，提供了3种NDI设想产生驱动模式；建立了设想产生过程模型.自动取款机的NDI设想产生验证了该方法的有效性.

载荷谱预测精度和鲁棒性直接影响起重机械的疲劳可靠性计算以及安全寿命评估.因此，绘制模拟实际工作状态的载荷谱是解决起重机械疲劳断裂问题的重要环节.然而传统的回归模拟算法对其预测精度较低.支持向量回归机（SVRM）同其他数据分析算法相比，具有出色的小样本和非线性特性，预测精度高、稳健性好，可较好地解决欠学习、过学习以及局部最小值等传统回归算法的难题.因此，选用支持向量回归机预测起重机载荷谱，提高了模型的预测精度和鲁棒性.在此基础上，从核函数的构造和决策函数的建立两方面的改进，建立了改进的v-SVRM预测模型.工程实例分析结果表明：从BP神经网络模型、v-SVRM模型到改进的v-SVRM模型，E_r和R_MSRE逐渐减小，R²逐渐增大，验证了所提出的改进方法具有良好的实用性、鲁棒性以及较高的预测精度，为起重机载荷谱的获取与预测提供了新方法.

针对舰船装备可靠性分配工作中具有多种影响因素且部分影响因素较难定量分析的问题，提出了一种基于AHP、模糊综合评判和区间分析的可靠性模糊综合分配方法.采用模糊综合评判构建了系统的可靠性分配模型，并设计出分配的技术路线；综合分析了8种影响可靠性分配的因素及其量化方法，并采用AHP构造了系统的可靠性分配递阶层次模型；采用区间数代替单一数值来表达模糊信息，并将定量分析与定性分析相结合，合理利用专家经验和相似系统的可靠性数据来确定判断矩阵和各影响因素的权重，从而有效解决了舰船装备可靠性模糊综合分配过程中的不确定性问题.最后，以某型舰电力系统可靠性分配为例，研究表明：该方法可操作性强、分配合理有效，具有较好的工程实践指导意义.

双摆杆连铸结晶器加渣机布料区域为扇形，与结晶器矩形受料区不吻合，导致布料投放不准确.针对此不足，提出了一种新型布料区域矩形化补偿技术，从机构学角度建立布料区域矩形化补偿的数学模型，得出了矩形化补偿凸轮轮廓曲线方程.并利用三维软件进行了实体结构设计与全工况运动学仿真，验证了布料区域矩形化补偿原理的合理性.研制了布料区域与结晶器受料区完全匹配的新型自动加渣机，简化了传动结构.

针对全断面硬岩隧道掘进机（TBM）存在推进系统压力控制不精准、支撑系统高压撑紧时冲击剧烈的问题，在直径2.5 m TBM试验台上设计了支撑推进液压系统.在AMESim中搭建了系统模型，仿真分析了推进系统在随机负载下的压力响应及支撑系统中关键部件在不同设置参数下的系统响应.结果表明：推进系统压力控制精准，支撑系统中节流口直径在1~3 mm内减小时，油缸稳态输出力无变化，系统冲击减缓，响应时间随之增加；背压阀压力增大时，油缸稳态输出力减小，撑靴速度更稳定，对系统压力响应影响小.节流口直径为1.5 mm、背压阀压力为7 MPa时，冲击平缓，撑靴运动速度稳定，系统同时获得较快的响应速度.所设计液压系统可实现支撑系统响应速度较快、撑靴速度稳定、冲击平缓和推进系统压力控制准确.

针对2.5 MW风电齿轮箱齿轮可靠性分析时，需考虑其接触疲劳和弯曲疲劳失效的相关性问题，根据风场长年监测数据，利用雨流计数法得到了其载荷谱，利用Romax Designer软件建立了2.5 MW风电齿轮箱的传动系统模型；利用其齿轮部件分析模块计算并统计得到了各齿轮的接触应力与弯曲应力分布；应用应力—强度干涉模型并基于Copula函数建立了考虑接触疲劳和弯曲疲劳相关性的齿轮疲劳可靠性计算模型；应用蒙特卡罗法对应力和疲劳强度抽样，并利用离差平方和最小值原理和MATLAB优化工具箱估计了Copula函数的参数，并计算出各齿轮的疲劳可靠度.研究结果为改进2.5 MW风电齿轮箱设计、提高其可靠性提供理论依据.

以船携式溢油回收机围油栏布放驱动控制系统为研究对象，针对双马达速度同步控制问题，提出以可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）为控制核心的电液比例阀控马达主从速度同步控制方案.建立其速度同步控制系统数学模型，利用MATLAB/Simulink软件进行稳定性、输出速度与速度同步误差分析；为提高系统稳定性同时减小速度同步误差，引入PID控制环节.仿真结果表明，控制系统引入PID整定环节后，其稳态性能明显提高，马达输出速度稳定性与同步性均有满意的设计效果.在同步精度要求不高的情况下，基于PLC的主从同步控制策略是切实可行的.

传动轴是履带式车辆传动系统的重要传动构件，由于测试方法和试验条件的限制，在设计传动轴的时候采用静强度设计理论，无法准确反映其在实际复杂任务工况条件下的动态响应性能，给动载荷作用下的机械构件寿命预测带来了很大困难，导致构件的实际寿命和设计寿命有很大的差距.基于ADAMS.ATV建立履带车辆行驶仿真平台，获得了传动轴在各种不同工况条件下的动态载荷.基于MSC.Fatigue疲劳寿命分析软件建立传动轴的疲劳分析模型，获得了传动轴的疲劳寿命，进而仿真分析不同结构对传动轴疲劳寿命的影响规律，对传动轴的结构进行改进.仿真预测实例验证了对复杂工况条件下传动轴进行疲劳寿命预测的可行性.对履带车辆构件结构优化问题进行了探索，研究方法和成果可以推广到相关机械工程领域，具有一定的指导意义.

为掌握矿用液压吊装机变幅机构动力学性能，进而为其控制设计和结构改进提供依据，以某新型矿用液压吊装机为研究对象，在对其变幅机构工况进行系统分析的基础上，基于等效元素法结合ADAMS仿真软件，对其变幅机构进行了动力学仿真分析.结果表明：吊臂起升角速度在初始阶段较为平稳，但随着变幅液压缸驱动力的增大，其跳动量会在某一时刻突然增大，并对起升平稳性造成影响.针对此，利用MATLAB曲线拟合方法对驱动函数进行反求，获得了匀速变幅驱动修正函数，使起升角速度跳动开始时间明显延迟，跳动量降低，吊装机起重性能得到改善.同时通过变幅液压缸驱动力仿真分析，确定了危险工况，使吊装机结构优化设计更有针对性.研究结果为矿用液压吊装机设计与完善提供了新的思路.

针对全断面硬岩隧道掘进机（TBM）在施工时因驱动扭矩不足引发的刀盘卡死情况，提出了由变频电机和泵控马达混合驱动的方案.采集电机转矩跟随主从控制系统下的电机速度信号，叠加一个预设的常量来实时调节变量泵的排量，利用比例溢流阀溢流多余流量实现对马达工作压差的比例调节，从而实现泵马达系统对电机系统的转速跟随和扭矩可调，并基于Φ2.5m TBM实验台的刀盘驱动系统指标要求完成了设计选型.在AMEsim仿真平台上搭建了负载敏感变量泵控系统（LSCS）、流量反馈比例变量泵控系统（FFPCS）和变量缸位移反馈比例变量泵控系统（DFPCS）的模型，分析对比了不同系统在同一电机系统速度信号下泵的压力和流量响应，并对比了不同比例控制策略下变量泵的效率.结果表明：LSCS无法响应电机系统转速跳变，且不适用于闭式系统，FFPCS和DFPCS均能较好地跟随电机系统的转速变化，尽管FFPCS有着更高的控制精度和效率，DFPCS的高可靠性、模块化和低成本优势更符合实际施工要求.

为解决老年人和残疾人出行不便的问题，提出了一种平地楼梯两用的助行机器人设计方案，采用轮足式结构实现爬楼梯功能.用R. Morales方法进行正、逆运动学分析，计算出机器人质心及各关节位移轨迹.用Roberson-Wittenburg方法推导出系统的动力学方程，将逆运动学解代入动力学模型中求得各关节所需的驱动力矩.同时在ADAMS中建立虚拟样机模型，进行运动学和动力学仿真，得到的机器人质心位移轨迹和各关节驱动力矩与MATLAB的计算结果一致，验证了设计方案的可行性和理论推导的正确性.

链传动系统是综采工作面刮板输送机最重要的系统.为了研究刮板输送机在运行过程中链传动系统的接触动力学特性，利用有限单元法分别建立平动链条模型、转动链条模型和链环与链轮啮合接触的模型，基于三维建模软件建立链条和链环与链轮啮合的虚拟样机模型．利用非线性有限元软件LS-DYNA分析了启动过程中链环之间接触动力学特性和正常工作过程中链环链轮啮合接触动力学特性，得出了启动过程中链环之间加速度、应力变化规律和正常工作中链环与链轮啮合过程位移、速度、应力的变化规律，为链轮传动系统瞬态动力学和传动系统关键零部件优化设计提供关键设计参数．

研究阻尼板黏弹减振优化方法，为阻尼板设计奠定一定基础.建立了阻尼板运动方程及其求解模型，推导出模态阻尼比敏度算式；构建了以多模态复合模态阻尼比最大、黏弹材料用量及频率变动最小为约束的阻尼板优化模型，采用拓扑渐进法求解优化模型；引入绕单元敏度均化技术解决优化迭代中的棋盘格问题；在引入虚拟单元及逻辑删除技术基础上，编程实现了渐进优化算法；对任意四边形板进行了优化仿真，实现了该板复合阻尼比最大化设计；引入阻尼比体积密度评析拓扑优化效能.研究表明，在阻尼板设计时若实现其多模态阻尼比最大化，则能使板获得良好减振效果.

奇异位形严重影响Gough-Stewart并联机构的性能.有必要得到机构无奇异工作空间的分布，使机构在工作过程中避免出现奇异位形.基于机构的雅可比矩阵，得到机构位于固定位置时的姿态奇异轨迹表达式.利用机构位置反解建立机构的约束姿态空间求解方法.综合考虑机构奇异位形影响，进一步得到机构无奇异姿态空间.将无奇异姿态空间边界的最小内切球作为衡量机构实际无奇异姿态空间大小的性能参数，称之为实际姿态能力.定义约束位置空间内各个位置点的平均实际姿态能力为全局姿态能力，并研究机构动、定平台形状对全局姿态能力大小的影响情况.研究进一步丰富了并联机构工作空间求解理论，提出的全局姿态能力这一新的性能指标对机构的结构参数优化亦具有重要的参考价值.

为研究双折线卷筒收绳速度的变化对起升系统的影响，建立了考虑速度变化激励的岸桥起升机构动力学模型.并以40 t单大梁岸桥起升机构为研究对象，模拟了电机从启动到匀速最后减速到停止的起升过程，得到了起升系统中支撑结构、吊物的振动位移响应和钢丝绳张力的变化，在此基础上对双折线卷筒的螺旋区相位和半径变化幅值的大小对动载特性的影响进行了研究.结果表明，双折线卷筒收绳速度变化的影响会增加钢丝绳张力的波动，且波动幅值随着螺旋区相位和半径变化幅值的增大而增大.这为起升机构的动态性能优化和可靠性设计奠定基础.

为研究起升载荷下门式起重机主梁的损伤和疲劳寿命，通过有限元软件ANSYS Workbench建立门式起重机主梁力学模型，采用nsoft疲劳分析软件对主梁的动静态力学特性和疲劳损伤进行了分析，采用nCode GlypWorks中的Rainflow模块对各载荷作用的应力时间历程进行雨流计数、载荷外推和叠加，采用nCode GlypWorks中的Stress Life模块计算主梁的疲劳寿命以及敏感性分析，得到不同工况下门式起重机箱型主梁应力和应变云图以及叠加后雨流直方图、主梁损伤直方图、裂纹—寿命关系曲线.研究结果表明：主梁的最大等效应力位置在跨中或端部以及主梁与支腿连接部位，易产生疲劳损伤；40t以上起重量是造成主梁损伤主要载荷；过载、残余应力和表面粗糙度均对主梁的使用寿命具有明显影响.冲击损伤仿真结果与计算结果较为接近，说明冲击损伤计算结果具有较高的可信度.

考虑到综掘巷道液压迈步式超前支护装备的工作原理，以及超前支护在过渡阶段中的降架过程的实际工作特点，以减小超前支护装备降架过程对顶板扰动影响为控制目标，基于体积平均释放规律，研究比例节流阀阀芯位移与降架过程时间的关系，从而确定适合超前支护降架过程的阀芯位移控制曲线.为验证控制方法的性能，将其与以直线、指数、对数曲线控制阀芯开度的方法相比较，对其作用效果进行理论分析和试验研究.分析与实验结果表明，基于体积平均释放规律曲线的降架控制方法能够将超前支护装备降架过程的支撑力平稳地卸载，比较其他控制方法，在相同降架时间内控制效果最优，对顶板扰动影响最小.该种控制方法为综掘巷道液压迈步式超前支护装备的研发及控制策略的研究提供了理论依据.

在弹体高速侵彻硬目标和弹箭爆炸抛撒过程等环境中，弹载测控电路将承受数万g的冲击加速度作用，因此需要对测控电路模块进行缓冲保护.为了设计较优的保护结构，提出了3种不同厚度的铝壳和不同密度泡沫铝的填充结构，利用LS-DYNA有限元软件，从载荷效率、比吸能、隔冲效率以及最大加速度响应等4个评价指标对泡沫铝填充铝壳缓冲吸能效果进行评估.结果表明，厚度为0.8mm、密度为1.1g/cm³填充结构的缓冲吸能效果在不同组合中最好.

山区铁路选线方案评价具有定性指标多的特点，传统铁路方案评价方法未考虑到定性指标中不确定性因素的影响，并且当定性指标与定量指标出现交叉时，缺乏相应的评价方法.首先利用云模型弥补了传统层次分析法在确定主观权重时对专家意见的不确定性考虑不足的缺点；再通过构建一种新的权重融合模式来计算指标的组合权重，以使指标权重达到主、客观统一；然后根据云模型的不确定性推理原理，在专家采用语言变量对定性指标进行评价的基础上，通过使用云发生器实现定性指标的有效量化; 最后引入投影法进行方案优选.建立了综合考虑定量及定性指标的山区铁路选线方案评价模型，并通过一个原则方案的比选实例说明了模型的可行性和实用性.该研究为山区铁路选线设计的线路方案定性、定量综合评价提供了新的思路和手段.

目前风力发电领域中对风轮机塔筒以及叶片的定期清洗、检测与维护任务主要依靠人工的高空作业，存在高风险.为解决这一问题，提出了一种包含3层平台（采用同步带和链条组合方式对缩放机构抱紧的两层升降平台和采用小车与弹簧钢带组合方式对缩放机构抱紧的一层旋转平台）的爬塔机器人.用多体系统动力学仿真软件RecurDyn对该爬塔机器人的主要机构进行了仿真分析，结果符合爬升、旋转以及收缩的运动要求.最后，进行了该爬塔机器人系统软、硬件的电路设计，利用TM320CF2812实现了对该爬塔机器人爬升运动机构、旋转运动机构以及缩放运动机构的控制，结果符合安全性的要求.通过设计、仿真以及控制该爬塔机器人，解决了英国南岸大学Ring机器人现有的缺陷，具有一定的创新性和优越性.

在传统的齿轮纵向振动系统中，齿轮与变幅杆耦合处振幅较小，导致齿轮端面输出振幅偏小，满足不了齿轮超声加工的要求.基于非谐振设计理论和全谐设计理论，设计了一种新型齿轮纵向振动系统，该振动系统由齿轮与圆柱杆耦合振动单元、换能器、半波长圆锥形变幅杆组成，齿轮与变幅杆耦合处振幅较大，增大了齿轮端面的输出振幅.圆锥变幅杆形状参数固定时，齿轮分度圆直径和圆柱杆直径对齿轮端面的输出振幅没有影响，减小圆锥变幅杆小端直径可以增大齿轮端面的输出振幅.通过有限元分析和谐振特性实验验证这种新设计方法的可行性.研究结果为齿轮振动系统提供了一种新的设计方法，对齿轮超声加工工艺的工程应用具有重要意义.

为了提高复合绝缘子憎水性带电检测的安全性，设计了一套基于无线通信的复合绝缘子图像在线采集前端控制系统.系统由喷水装置、图像采集装置、无线收发器以及电脑组成，喷水装置通过2.4G无线模块与插在电脑上的无线收发器通信，图像采集装置通过WiFi与电脑通信.将喷水装置和图像采集装置安装在塔上，在塔下就能用电脑控制它们向复合绝缘子喷水拍照，图像自动保存在电脑里，憎水性分析软件调用此图片即可分析复合绝缘子的憎水性等级.测试结果表明：该系统操作简单安全，工作稳定，抗干扰能力强，无线通信丢包率在3.5%以下，电池充1次电能持续工作超过14 h，拍摄图像清晰，能够满足分析绝缘子憎水性对图像清晰度的要求.

针对综掘迎头及巷道冒顶事故频发、掘进效率低，迈步式超前支护装备在过渡过程中支撑力不稳定、破坏顶板等问题，为满足对迎头顶板支护平稳、高效、可靠的要求，达到超前支护在过渡过程形成有效支护的目的，采用电液比例控制技术，设计了主、副支撑油缸组支撑力的控制方案，利用换向阀阀芯位移控制支撑油缸组的支撑力．根据系统的组成和原理，建立控制系统的数学模型和仿真模型，利用AMESim软件对系统进行仿真研究，得到比例换向阀阀芯位移、支撑力随时间的控制曲线．仿真结果表明，不同阀芯控制曲线对支撑力的控制效果有明显区别，基于体积增量的阀芯位移控制曲线符合实际工况要求．同时，将仿真数据与实验结果相比较，表明控制系统设计是合理的．

为提高换向器的性能和减小不确定度，在分析换向器结构、换向过程、不确定度影响因素的基础上，提出了一种步进电机直接驱动分水器旋转换向的电动换向器结构，利用PCI板卡控制其旋转换向动作，在不同流量点可采用不同速度，具有较好的正反行程的对称性.研究了换向器的控制策略，设计搭建了多口径的换向器测试平台，进行了DN50，DN80口径换向器的行程差法实验测试.实验数据表明，电动换向器的不确定度可达到0.0012%的水平.这种结构降低了运行时的噪声，提高了不确定度的水平，进而可以降低液体流量标准装置的整体不确定度.

采用微分方程法分析了带腰绳起重机吊臂的平面外稳定性.通过吊臂失稳临界状态下的弯曲微分方程，引入边界条件及适当的变形协调方程，得到带腰绳吊臂平面外失稳特征方程的解析表达，算例的计算结果与ANSYS计算结果吻合.随后探讨了失稳特征方程在单拉杆及双拉杆吊臂两种极限情况下的退化形式，并对3种形式臂架的稳定承载能力进行对比.结果表明：带腰绳吊臂稳定承载能力介于单拉杆及双拉杆吊臂之间，腰绳结构在增强吊臂刚度的同时也提高了吊臂的稳定承载能力，且吊臂系统仍为静定结构.

为了从物料粒度和物理特性方面探究WK-75型矿用挖掘机斗齿的磨损规律，采用UG软件建立铲斗和斗杆装配后的三维参数化模型，并将其导入离散元软件中，对铲斗沿理想挖掘轨迹挖掘进行了磨损仿真分析，找出了铲斗的主要磨损部位，与实际结果相符，验证了模型的正确性.并从物料的密度、硬度、大小和形状等方面探究了斗齿的磨损规律.研究表明，斗齿的平均磨损深度随着物料的密度、硬度、粒径和棱角尖锐度的增加而增大，为后续从减少斗齿磨损方面优化铲斗结构提供了一定的参考.

波形弹片是电机减振的重要部件之一，理想的波形弹片可以大大减少电机正常运转过程中的振动，延长电机的寿命.为设计出满足规格的波形弹片，利用有限元分析方法对波形弹片的受压过程进行分析，研究弹片有限元分析所得到的载荷—挠度曲线，发现3个比较明显的拐点，再将这些拐点与对应弹片压缩情况下的应力图以及理论公式联系起来分析，找出拐点产生的原因.并将所得到的载荷—挠度曲线与客户所提供的规格进行对比，然后根据曲线对比产生的差异以及有限元分析曲线的特点，再按理论公式有针对性地修改模型几何参数，对新模型再次进行有限元分析，〖JP2〗直至修改的模型计算结果比较理想为止.最后将该理想模型有限元分析的载荷—挠度曲线与试验测试所得的载荷—挠度曲线进行对比，发现两者吻合非常好.这证明了有限元分析方法在波形弹片设计中的可靠性.

以襄阳汽车轴承公司生产的某VL型等速万向节为研究对象，其转到一定角度时会发生卡滞现象，即需要某方向很大的力才能恢复转动.针对该问题首先对此万向节的结构设计和沟道加工工艺合理性进行检验分析，经计算和实验验证可知：此VL型等速万向节结构设计和沟道加工工艺合格，不会导致卡滞.然后对钢球受力进行分析，分析表明：万向节在运动到卡滞角度之前钢球受到主动力的合力方向在摩擦角以外，到达卡滞角度附近时总动力方向已经进入摩擦锥角.通过上述卡滞原因的分析，可以发现要预防卡滞最直接的方法就是防止内外套之间的夹角达到卡滞角度.

为探究特定工况下碟簧参数的选择及优化方法，以碟簧为研究对象，分析了碟簧特定工况下参数的组成，并根据其工作原理及约束条件，通过数学的方法给出了考虑限位的碟簧初始压缩位移的解析表达式.基于MATLAB数值分析软件，建立了计算的数学模型，依据碟簧特定工况给出了碟簧初始压缩位移迭代求解的收敛准则，针对此数学模型编制了相应的求解程序，得到了求解工况下碟簧相关参数的详细数值.在综合考虑相关因素后得出了优化的碟簧初始压缩位移值.分析结果表明：碟簧各个计算所得的高度都呈非线性变化，且随着复合组合碟簧组数的增加，这些计算所得高度都随之增加，但鉴于成本、摩擦力及碟簧设计要求，碟簧设计参数应适当进行权衡择优，以满足工程设计需要.