人工智能研究领域之一的专家系统在工程设备上的应用需求较为广泛，但满足用户需求的应用实例很少，主要原因在于知识库构建复杂且困难，其质量得不到保障。针对这个问题，研究了知识获取存在的问题，开发了以故障树为核心表达方式的知识库构建工具软件，实现了故障诊断功能。根据工程实际需要，采用J2EE技术开发了一套B/S（browser/server，浏览器/服务器）模式知识库构建工具软件，并对知识库各模块进行了需求分析设计，包括知识模型的数据结构设计和业务层逻辑方法的设计。此外，还探讨了知识模型的多样性表达，以3种命名方式来表达完整的故障树。最后，通过实例说明了该知识库构建工具软件的可行性。研究结果表明：知识获取模块采用故障树表达方式，有利于知识库质量的提高；选择网页Web形式，可以实现多用户/多工位知识编辑和输入，显著提高知识获取效率。该知识获取辅助系统具有强通用性，为领域专家和工程师构建知识库提供了有力支持。

木质民居是苗侗族传统建筑文化，个性化定制乃是当今木质民居建筑设计的潮流。为快速配置木质民居个性化定制构件，使得其造型意象真正满足消费者隐性需求，提出一种基于眼动模式的个性化定制构件配置方法。首先，研究了木质民居的组成和人们对构件配置的认知。其次，依据蚁群优化算法思想，建立木质民居个性化定制构件配置过程图解模型；将木质民居个性化定制构件库系统中的构件区域划分为兴趣区域（area of interest，AOI）和注视区域（area of fixation，AOF）；以眼动模式中热点图数据为基础，建立眼动数据可视化模型，并以围栏为例，提取注视区域（AOF）的灰度直方图、注视点数目、注视时间及平均注视时间等。再次，计算木质民居个性化定制构件系统中兴趣区域内设计特征的选择概率，以此构建定制构件的适应度函数，寻求配置方案的最优解。最后，以木质民居个性化定制项目为例，论述该方法的配置过程；结合七等级Likert量表实验对眼动实验结果进行对比验证。T检验结果验证了该个性化定制构件配置方法的可行性，能在符合用户隐性需求的基础上进行高效配置，为产品个性化定制模块配置提供一种新的技术方法。

为提高流式细胞仪的探测分辨率和数据检测的稳定性，需要精确控制样品流速，并分析样品流速和鞘液流速对样品聚焦流的影响，可通过样品聚焦流直径和样品聚焦流在流动室流道中的相对位置来评价样品的聚焦状况。利用蠕动泵运动特点，设计了一种平均流量称重法测量样品流速的方法，并与微流量传感器测量结果作比较；采用最小二乘法线性拟合蠕动泵的控制电压和样品流速之间的函数关系，并采用显微成像法直接测量和分析样品流速和鞘液流速对样品聚焦流直径、偏离流动室流道中心线的距离的影响。实验结果显示，采用平均流量称重法与微流量传感器测得的样品流速的线性相关系数高达0.982 8；蠕动泵的样品流速与其控制电压的线性相关系数高于0.99，说明利用该线性关系可以实现样品流速的精确控制；采用的显微成像法能快速方便地测得样品聚焦流的直径及位置，为流式细胞仪样品流速、鞘液流速的调控以及液流器件组装精度的测试提供了指导方法。

盘式制动器广泛应用于交通工具和工业装备，在制动过程中出现的摩擦振动噪声和制动盘与制动块之间的接触摩擦作用有密切关系。由于受到多种因素影响，建立准确的制动器关键零件接触关系仍是当前制动器振动噪声研究的难点。基于接触刚度能够影响系统刚度从而改变制动盘模态频率的动力学特性，针对乘用车浮钳盘式制动器，提出一种基于模态频率特征的制动器盘块间法向接触刚度辨识方法。应用锤击模态试验测得不同制动压力条件下制动盘各模态的频率特征；基于ABAQUS软件建立约束条件下制动盘与制动块装配体的有限元模型，在1~10 kHz范围内对该模型进行前7阶面外模态频率分析，辨识得到制动盘与制动块之间的法向接触刚度，并对接触刚度变化原因进行了分析。结果表明，随着制动压力的增加，由于制动块摩擦材料的孔隙度减小，接触刚度增大；随着制动盘模态阶次的提高，由于制动盘与制动块在谐振状态时其接触面积发生变化，接触刚度会先增大然后基本保持不变。该方法可用于建立准确的制动器盘块间接触关系，以开展制动器振动噪声仿真分析，能够提高计算精度，保证分析结果的可靠性。

数控磨床砂轮架系统故障树分析中的一大难点是确定基本事件的发生概率，基本事件的发生情况存在模糊性且由于时间和成本的限制往往无法通过实验获得足够的可靠性数据。为了解决这一问题，引入模糊集合论，用梯形模糊数来描述故障树分析中的基本事件和顶事件的发生概率。首先对数控磨床砂轮架系统的结构层次进行分析，建立砂轮架系统的故障树。然后以砂轮架系统主轴振动异响为例进行模糊故障树分析，求解顶事件发生概率的梯形模糊数；并类比传统故障树分析中"临界重要度"的概念，定义适用于模糊故障树分析的"模糊临界重要度"。最后根据求解的模糊临界重要度对基本事件进行排序，确定危害程度较高的基本事件，结果与企业的实际情况相符合。结果表明该方法能够有效解决数控磨床故障树分析中基本事件难于准确赋值的问题，为企业提高机械系统的可靠性提供了一种定量依据。

针对工程车辆使用特点和发动机的配置需求，设计了一种新型涡轮式气启动马达，通过对单向器、齿轮推进装置以及连接装置等进行结构创新，避免了顶齿现象发生，且它具有体积小、强度高、传动可靠、寿命长以及小齿轮拆换方便等优点。动力总成设计采用双级冲击式涡轮转子，由2个定子和2个转子组成气道，提高了气体动能利用率。传动总成设计是在现有棘轮式单向器基础上加以改进，采用滚动摩擦和轴承支承结构，使得空气通过气路接口推动活塞轴向移动，减少了零件个数及摩擦。减速总成设计采用行星减速器，可实现极低速运转，同时具有质量轻、体积小、转矩和过载能力大、摩擦少且结构简单等优点。对该马达进行现场试验测试，试验结果表明，该结构与汽车发动机更为匹配，更能满足发动机启动要求，使机动车发动机顺利启动；其适应气源条件更宽，在无补气条件下可实现车辆多次启动，使得车辆气启动更为可靠。该新型气启动马达为发动机启动提供了一种选择，也对国内气动马达的发展起到了促进作用。

为了降低切茬装置切割粉碎玉米根茬所需的功耗，以蟋蟀切齿叶为仿生原型设计了2种仿生灭茬刀片。应用MATLAB软件提取切齿叶部分的轮廓特征，分析其优良的减阻特性，并将此轮廓特征应用于灭茬刀片正刀刃的设计，设计出仿生刀片A；考虑到加工难易程度和经济成本，以二次函数为轮廓特征设计出仿生刀片B。在同等工作参数（前进速度为1 m/s，刀辊转速为420 r/min，耕深为50 mm）前提下，利用ANSYS/LS-DYNA软件仿真和田间试验的方法对2种仿生刀片和原型刀片的载荷状况进行对比分析。仿真结果表明：仿生刀片A和B的最大切削力（分别为881 N和908 N）较原型刀片的最大切削力（1 079 N）分别降低18.35%和15.85%；田间试验结果表明：仿生灭茬刀片A和B的平均扭矩和变异系数分别为267.894 N·m，2.31%和275.843 N·m，2.11%，原型灭茬刀片平均扭矩和变异系数为299.712 N·m和2.33%，且3种灭茬刀片的作业质量（灭茬深度和根茬粉碎率）均可达到相关国家标准。研究结果可为灭茬刀片的减阻降耗设计提供理论指导。

针对熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）过程中存在的典型缺陷——翘曲变形，以加热底板样式为研究重点，对比ANSYS数值模拟结果与成型实验数据，探究普通加热底板与九宫格加热底板对成型件翘曲变形量的影响。在数值模拟过程中，采用生死单元技术建立2种加热底板上成型件温度场模型，再采用热-力间接耦合的方法分析成型件的应力分布，最后得到成型件翘曲变形的位移云图，分析2种加热底板上成型件的翘曲变形量。在进行成型实验时，分别在普通加热底板与九宫格加热底板上打印试件，再进行2种加热底板成型件的4个角点的翘曲变形量的测量。对比2种加热底板上成型件在ANSYS数值模拟与成型实验中的最大翘曲变形量，结果表明：九宫格加热底板相比普通加热底板能更好地减小由成型件残余应力导致的翘曲变形，即在实际打印成型过程中，不需要对3D打印机的生产参数作任何调整，只需要将工作平台处的普通加热底板换为九宫格加热底板则能极大地减小成型件的翘曲变形，有助于得到具有较高质量精度的成型产品，这对提高成型产品质量具有重要的参考意义。

微槽热沉具有传热效率高、可靠性强的优点，可用于对微尺度高热流密度电子元件进行冷却。为满足其性能需求和控制成本，在对微槽热沉进行设计时需要对其传热能力和流动阻力同时进行优化。传统研究采用的热阻网络模型较为简单，不能很好地反映热阻和流动阻力对微槽道截面形状拓扑变化的响应，且其优化对象通常为既定截面的形状尺寸。为此提出一种基于离散化方法的单层硅基微槽热沉热阻网络模型，将热沉鳍片细分为厚度较小的微元，根据微元热阻对微元宽度的响应及微元热阻对整体热阻的贡献来描述微槽道的整体热阻。以微泵输出功率为优化边界条件，压降和热阻为优化目标，通过SQP（sequential quadratic programming，序列二次规划）方法对层流状态下四边形等截面硅基微槽热沉进行尺寸优化，利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）对优化结果进行模拟和验证。结果表明，当鳍片高度较低时，鳍片截面形状为矩形，随着鳍高增加，截面形状有向三角形发展的趋势。在设计区间内，微槽道截面为梯形、鳍片截面为三角形时传热效率与压降相对占优。用边界点法和理想点法优化模型求得微槽道高度、鳍底宽、槽底宽、槽顶宽的优化结果分别为500，50，64.5，114.5 μm和500，50，50，100 μm。该方法能根据设计需求调整评价函数，同时计算结果具有重要工程意义，为微槽热沉设计人员提供参考。

在基于仿真模型的工程设计优化中，采用高精度、高成本的分析模型会导致计算量大，采用低精度、低成本的分析模型会导致设计优化结果的可信度低，难以满足实际工程的要求。为了有效平衡高精度与低成本之间的矛盾关系，通过建立序贯层次Kriging模型融合高/低精度数据，采用大量低成本、低精度的样本点反映高精度分析模型的变化趋势，并采用少量高成本、高精度的样本点对低精度分析模型进行校正，以实现对优化目标的高精度预测。为了避免层次Kriging模型误差对优化结果的影响，将层次Kriging模型与遗传算法相结合，根据6σ设计准则计算每一代最优解的预测区间，具有较大预测区间的当前最优解即为新的高精度样本点。同时，在优化过程中序贯更新层次Kriging模型，提高最优解附近的层次Kriging模型的预测精度，从而保证设计结果的可靠性。将所提出的方法应用于微型飞行器机身结构的设计优化中，以验证该方法的有效性和优越性。采用具有不同单元数的网格模型分别作为低精度分析模型和高精度分析模型，利用最优拉丁超立方设计分别选取60个低精度样本点和20个高精度样本点建立初始层次Kriging模型，采用本文方法求解并与直接采用高精度仿真模型求解的结果进行比较。结果表明，所提出的方法能够有效利用高/低精度样本点处的信息，建立高精度的层次Kriging模型；本文方法仅需要少量的计算成本就能求得近似最优解，有效提高了设计效率，为类似的结构设计优化问题提供了参考。

将稳定性问题引入传统变密度法中，可实现包含稳定性约束的平面模型结构拓扑优化。以单元相对密度为设计变量，结构柔度最小为目标函数，结构体积和失稳载荷因子为约束条件建立优化问题数学模型，提出了一种考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法。通过分析结构柔度、体积、失稳载荷因子对设计变量的灵敏度，并基于拉格朗日乘子法和Kuhn-Tucker条件，推导了优化问题的迭代准则。同时，利用基于约束条件的泰勒展开式求解优化准则中的拉格朗日乘子。通过推导平面四节点四边形单元几何刚度矩阵的显式表达式，得到了优化准则中的几何应变能。最后，通过算例对提出的方法进行了验证，并与不考虑稳定性的传统变密度拓扑优化方法进行对比，结果表明该方法能显著提高拓扑优化结果的稳定性。研究结果对细长受压结构的优化设计有重要指导意义，对结构的稳定性设计有一定参考价值。

在构建负泊松比结构拓扑优化模型时，直接用负泊松比的数学表达式构造目标函数，将使得目标函数高度非线性，迭代过程敏度分析困难。采用线性拟合法，构建了具有线性特征的负泊松比微结构拓扑优化目标函数，基于能量法和均匀化方法，结合拓扑优化理论，构建了一种可以快速准确求解负泊松比的拓扑优化设计模型，求解该模型得到了一种优化的拓扑构型及相应的负泊松比值。根据优化求解得到的结构模型，参考国家标准GB/T 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》，利用有限元软件对其泊松比进行仿真计算，然后采用激光加工方式制造试样，并测试其泊松比，经过与优化模型求解得到的泊松比值对比分析，验证了所构建优化模型的正确性。本文方法既避免了以负泊松比表达式为优化函数时会出现的高度非线性问题，也降低了求解的复杂程度，为负泊松比微结构的设计提供了一种参考方法。

针对数学非线性回归问题，需不断改进设计模型和设计参数，从而使得设计效果达到最佳。求解约束条件下体积最小问题时经常用响应面法进行优化，即利用函数关系拟合仿真模型，采用筛选试验来确定优化方向。为了优化经典10杆桁架结构的形状，基于响应面法，编写并运行APDL（ANSYS parametric design language，参数化设计语言）程序，得到各桁架的初始应力和体积。以节点纵坐标值的改变来反映形状的变化，各因子设置三水平并编码为-1，0，1，通过响应面法（response surface method，RSM）进行寻优并调整中心点和水平。基于调整后的水平，先找到最佳邻域，再用优化软件在最佳邻域内求解桁架在许应力下体积的最优解，最后将确定好的节点纵坐标值回代到APDL程序中验证是否满足约束条件，若满足，则此时的体积为最优解。结果表明：利用响应面法优化桁架杆的迭代次数仅为3次，它能快速定位最优解，降低了前期设计成本。通过对比文献[9]可知响应面法对结构的形状优化更为有效，能快速定位出设计试验方案，在工程应用中对于寻找在约束条件下的最佳配比设计有着高效性。

钻井液振动筛是石油钻井固控系统的关键设备，用于钻井液中有害固相颗粒的清除和钻井液的回收，对节约资源和保护环境具有重要意义。随着石油工业的发展，要求钻井液振动筛提高处理量，因此提出了一种新型负压钻井液振动筛。负压钻井液振动筛与传统钻井液振动筛的区别在于前者利用振动筛分和真空过滤的联合作用来提高振动筛的处理量。为了更深入了解负压振动筛的性能，基于传统钻井液振动筛上的单颗粒模型，用力学观点详细讨论了固相颗粒在负压振动筛上的运移规律，比较了不同参数下固相颗粒在2种振动筛上的运动情况，并分析了负压系统的应用对振动筛结构参数的影响。结果表明负压振动筛上固相颗粒的运移速度小于传统振动筛上固相颗粒的运移速度，这更有利于固液分离；负压系统的应用对振动筛结构参数的影响较小，可直接将传统振动筛改造为负压振动筛。研究结果为负压振动筛的设计和现场使用提供了理论依据。

为满足变工况和环境温度波动条件下精密机床各部位对温控系统的动态、差异化控制需求，提出一种精密机床差异化温控系统的设计方法和控制策略。首先，提出了差异化温控系统关键功能部件选型设计方法和温控能力主参数计算方法；其次，根据差异化温控系统高/低温油箱中油温测量值与目标值的差别，形成对两油箱温度的动态实时控制策略；再次，采用MATLAB软件开发出温控系统关键部件的选型设计模块和高/低温油箱温度控制仿真分析模块；最后，通过仿真模拟获取相关温度数据，并与同工况下的实验数据进行对比分析，验证所提出的差异化温控系统设计方法及控制策略的可行性和合理性。结果表明仿真分析模块可以较为切实地反映出实际工况下的温度整体变化情况和趋势。所提出的精密机床差异化温控系统的设计方法和控制策略具备一定的合理性和可行性，且具有较高的工程应用价值。

钢帘线在捻制的过程中会产生残余扭转，导致钢帘线在捻制完成后沿捻制相反的方向出现不同程度的回转，严重影响钢帘线的使用性能。为了减小钢丝捻制过程中出现的残余扭转，设计了钢帘线残余扭转在线监测及自动消除控制系统。利用西门子S7-200系列PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）对控制系统的软件和硬件进行合理配置，并详细阐述了系统的硬件和软件设计。采用台达DOP系列的触摸屏，实现钢帘线残余扭转在线实时监测的功能。该设备整机性能稳定，实现了残余扭转的控制与消除，满足生产线高柔性化、高效率、高质量的自动化生产要求。

履带牵引式换带装置是一种矿井带式输送机胶带更换装置，为了解其液压系统的动态特性，应用Automation Studio软件对换带装置液压系统进行建模与仿真。在换带装置拉带速度仿真分析中，获得了在30，35，40，45，50 mL/r排量下液压马达的输入流量、转速仿真曲线以及履带底盘的拉带速度。通过对换带装置夹带速度的仿真，说明其液压缸夹紧与松开的时间差异并分析其原因。防溜带机构夹带速度的仿真表明该机构可在0.2 s内夹紧胶带。工业性试验中通过PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）采集现场液压系统压力并和仿真压力对比分析。夹带恒压自适应调节保证了在胶带厚度变化的情况下系统压力仍然能保持稳定。自动锁带油缸压力迅速变化确保了胶带更换作业安全进行。结果表明该装置系统响应速度较快，性能稳定，为履带牵引式换带装置的动力和安全性能提供了保障。