动态特性是衡量机床性能的一项重要指标，但目前并没有较好的数控机床整机动态特性评价方法。利用真实的动态切削力对数控机床进行激励，能够快速获取机床在切削力作用下的动态特性。鉴于切削参数会影响各频率成分对应的切削力幅值，基于不同工件材料和切削参数下的动态切削力，建立动态激振力模型，通过分频段激励来检验数控机床在不同频段下的动态特性。通过有限元仿真分析，判断数控机床在各个频段下的动态特性；对振动信号进行快速傅里叶变换，得到机床振动时的主要频率成分，为优化机床动态特性提供指导；对比各种动态切削力激振下不同机床的动刚度，评价不同机床动态特性的优劣。最后,通过激振试验验证了仿真结果的准确性。结果表明上述方法简单实用，能快速评价数控机床的动态特性，具有一定的实用价值。

针对高精度超高压液相泵运行时易在加速度拐点处出现电机抖动的问题，提出了一种等面积平滑补偿控制方法。对液相泵运行曲线进行平滑处理，确保液相泵在初始速度较高的加速度拐点处平稳过渡，不产生抖动；对因平滑处理而减小的位移进行补偿，确保在液相泵单个运行周期结束前补齐位移，使得液相泵的吸入液体总量与排出液体总量不变。最后通过电机运行试验、流量精度检测试验、响应速度检测试验、超高效分离试验来验证所提方法的可行性。试验结果表明：等面积平滑补偿控制方法解决了电机在高初始速度的加速度拐点处抖动的问题，使液相泵输出液体的流量精度从0.081%提高到0.055%。等面积平滑补偿控制方法有效提高了液相泵输出液体的流量精度，具有实时性强、计算精度高等特点，为提高样品检测效率提供了一定的理论依据。

在智能触屏移动终端上表达盲文是一件具有深刻现实意义但又充满挑战的工作。为了让视障人士能够通过摸读智能触屏移动终端上的盲文来获取信息，提出了3种基于可变摩擦力触感的移动终端通用汉语盲文编码方法，分别为通用盲文编码方法、声调嵌入编码方法及4行2列编码方法。基于压电传感器的超声震荡波可在物体表面产生可变摩擦力触感的原理，在智能移动终端上实现汉语盲文触感编码。通过对12名盲人用户进行2次系统实验，从摸读效率、摸读准确率和用户满意度方面对编码方法进行可用性评估。首先，对3种编码方法进行可用性评估（实验1），然后基于实验1的结果，挑选4行2列编码方法与基于向右滑动摸读方式的振动马达触觉反馈编码方法进行可用性对比（实验2）。实验1结果显示，3种编码方法的平均摸读效率分别为8.82，4.91,4.12 s/汉字，平均摸读准确率分别为98.6%，96.8%，98.6%，4行2列编码方法在用户满意度方面的综合得分最高。实验2结果表明，与基于向右滑动摸读方式的振动马达触觉反馈编码方法相比，4行2列编码方法的摸读效率、摸读准确率及用户满意度更高。综上所述，采用4行2列编码方法能够在移动终端上实现对通用汉语盲文的编码和摸读，可为视障人士在智能移动终端上摸读汉语盲文提供新思路。

针对爬壁机器人难以在储罐外壁实现全遍历检测的问题，提出了一种基于滚动窗口的优先级启发式路径规划算法。在滚动的可视窗口内基于栅格地图进行环境建模，利用优先级启发式算法在滚动的规划窗口内实现对遍历路径的搜索；针对环境中存在U型障碍物的情况，进行了U型障碍物识别和U型障碍物区域直接填充；当机器人陷入死区时，采用死区逃离算法使机器人顺利逃离死区。仿真结果表明，该路径规划方法能指导爬壁机器人在未知储罐外壁环境的情况下实现高效全遍历。研究结果对提高爬壁机器人在储罐外壁的遍历效率具有一定的理论和工程意义。

为满足搅拌摩擦焊技术的要求，解决搅拌摩擦焊机器人在顶锻力承受以及焊接灵活性方面存在的不足，在三自由度2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人基础上增加了3根绳索，设计了一种刚柔协作3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人。基于运动学建模，运用封闭矢量法分别计算了3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人刚性部分与绳索部分的位置逆解；运用求导法求得了机器人刚性部分与绳索部分的速度雅克比矩阵，并运用特征长度法将雅克比矩阵无量纲化，基于求得的速度无量纲雅克比矩阵，利用MATLAB软件分别对添加绳索前后的搅拌摩擦焊机器人的各项运动学性能指标进行编程求解；应用遗传算法对3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的性能指标进行优化，通过设定最优个体系数、种群数目、遗传进化次数，对满足3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊接机器人全域刚度以及全域灵巧性的结构参数进行寻优求解。结果表明：3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的承载力、灵巧性、全域灵巧性、刚度、全域刚度等性能指标均有所提高，且在综合考虑灵巧性以及刚度的优质工作空间内运动连续，说明3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人相较于2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人能够承受更大的顶锻力，且运动灵活性有所提高。通过遗传算法优化后找到符合3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人全域灵巧性以及全域刚度的10组结构参数，在综合考虑搅拌摩擦焊接工况下，从10组结构参数中选取最优的一组作为搅拌摩擦焊机器人的结构参数，在该结构参数下，机器人性能指标有所提高，更适合完成搅拌摩擦焊接工作。研究为提高机器人搅拌摩擦焊接质量提供了理论依据。

根据国内外相关设计标准与规范，石油天然气等易燃易爆气体的储罐必须设计成弱顶结构，以最大限度地降低因内部超压而发生事故的危害程度。为了得到合适的弱顶结构设计方法，以常见的5 000 m³立式拱顶储罐为对象展开分析。首先，根据GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》，对储罐结构参数进行设计并对其弱顶性能进行初步评价；然后，利用有限元分析方法对储罐结构进行分析，获得储罐在空罐、半罐、满罐工况下的提离高度、提离半径、最大等效应力和薄膜应力等关键参数，并在此基础上对储罐强度、稳定性、破坏形式和弱顶性能进行综合评价；最后，分析了顶壁连接焊角高度、罐顶曲率半径、边缘板厚度和罐体高径比等关键参数对储罐弱顶性能的影响。结果表明：基于GB 50341—2014设计的5 000 m³立式拱顶储罐并不具备弱顶性能，顶壁连接焊角高度减小到3.75 mm，或罐顶曲率半径增大到3.0D（D为储罐直径），或边缘板厚度增大到15 mm，或罐体高径比增大到2.0都能使该储罐满足弱顶结构的设计要求。研究结果可为储罐弱顶结构的改进提供参考。

车辆转向时，由于普通磁流变减振器在低速下无法提供较大的阻尼力，难以有效对车辆进行侧倾控制，针对此问题，设计了一种具有低速大阻尼特性的剪切式磁流变减振器，以提升车辆的抗侧倾性能。对剪切式磁流变减振器的结构和磁场进行设计，并建立剪切式磁流变减振器阻尼力模型；通过Simulink仿真得到该减振器的输出特性曲线，并建立磁流变减振器多项式数学模型；建立车辆六自由度转向-侧倾动力学模型，基于限幅最优控制设计车辆侧倾和平顺性协调控制器，并运用MATLAB软件对磁流变半主动悬架限幅最优控制双移线工况进行动力学仿真。仿真结果表明：当车辆转弯时，相较于常规模式，抗侧倾模式下车身侧倾角和横向载荷转移率显著减小，同时车身加速度、轮胎动载荷及悬架动挠度等参数有一定的改善。研究表明剪切式磁流变减振器能够有效抑制车辆转弯时的车身侧倾，改善车身姿态，同时使车辆保持良好的平顺性，提升了车辆的弯道通行能力，防止车辆侧翻事故发生。研究结果可为磁流变半主动悬架在车辆侧倾控制中的应用提供理论支持。

被动式外骨骼可以减少行走能量消耗且不耗费电能，在军事、民用领域具有广阔的应用前景。针对现有被动式外骨骼节省的能量较少且无法适应不同行走配置等问题，提出了多级能量锁原理，并根据此原理设计了一款被动式外骨骼机械足。首先，基于多级能量锁原理，建立人体行走时支撑相储能阶段和释能阶段的人机耦合ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析)动力学模型。然后，对被动式外骨骼机械足进行了优化：基于所建立的动力学模型分析了弹簧位置和弹簧释放角度这2个结构参数对机械足助力性能的影响规律，并结合足跟高度求得了这2个参数的最优解。最后，基于行走实验和有限元仿真分析，对被动式外骨骼机械足的强度、刚度、流畅性和舒适性等进行了优化，优化后机械足的质量约减轻500 g，安全系数达到了3.04，运行流畅性和舒适性显著提升。结果表明，释能阶段是被动式外骨骼机械足发挥作用的关键阶段；弹簧释放角度对释能阶段机械足助力性能的影响较为显著，即为影响机械足助力性能的关键参数。研究结果可为外骨骼设计提供重要参考。

风电齿轮箱作为风电机组的关键部件，其动态特性直接影响整个机组的运行。以某兆瓦级风电齿轮箱为研究对象，考虑箱体、行星架的结构柔性后，建立风电齿轮箱耦合动力学模型，并分析了其动态响应。针对单一工况所得的齿轮修形量未必适用于其它工况的问题，对各工况下的风电齿轮箱各级齿轮副内部激励进行了加权处理，以各齿轮内部激励和最小为优化目标，基于遗传算法寻求适用于多工况的最优修形量，并结合齿轮宏观参数优化来改善风电齿轮箱的动态响应。结果表明，通过宏观参数优化及齿轮修形后，各工况下风电齿轮箱的振动加速度及结构噪声均得到了有效改善。研究结果为兆瓦级风电齿轮箱动力学特性优化提供了依据。

为解决立式加工中心热误差补偿关键技术中温测点难选取的问题，提出了一种基于改进有序聚类法的机床进给系统温测点优化方法。首先，结合试验数据计算反映温测点温度变量与热误差相关性的互信息值，初步筛选机床各部件的温测点，消除测点间的耦合性；然后，根据筛选出的温测点，通过建立类直径矩阵和计算各类的最小误差函数，获得温度变量分类；最后，基于多元线性回归建立包含多个不同温测点的热误差模型，并对模型进行统计学综合分析，确定了最佳聚类数和最佳温测点。结果表明：在不同加工条件下采用改进有序聚类法建立的热误差模型的均方根误差和平均残差分别降至1.05 μm和1 μm以下，相较于采用传统有序聚类法和灰色关联度模糊聚类法建立的热误差模型，它具有更高的热误差预测精度和更好的鲁棒性。所提方法在中小型加工中心进给系统的温测点研究中具有广阔的应用前景。

UUV（unmanned underwater vehicle，无人水下航行器）在海洋民用与军事领域具有广阔的应用前景。UUV耐压结构作为影响UUV负载能力及保障UUV航行任务安全高效执行的重要部件，其优化设计有重要意义。为了最大程度地实现减重目标，有效平衡耐压结构质量、结构强度和稳定性之间的矛盾，进而提升UUV综合性能，提出一种基于组合加权响应面法的多目标优化方法。通过试验设计得到初始采样点，利用有限元工具计算响应值并构建代理模型；然后，以折衷规划法对子目标进行归一化处理，采用组合加权法设定子目标权重系数，以进行耐压结构的多目标优化设计。以某型UUV为例，利用所提方法对其梯形肋骨耐压结构进行多目标优化设计，优化后耐压结构质量减轻了6.6%，肋骨应力下降了6.7%，同时满足稳定性要求。在此基础上，分别以质量为优化目标和以质量、结构强度和稳定性为综合优化目标，对不同肋骨形式耐压结构进行优化设计。结果表明：梯形肋骨耐压结构的综合优化效果最佳。该研究方法适用于UUV耐压结构的多目标优化，研究结果可为UUV耐压结构优化设计提供理论指导，具有实际工程意义。

风荷载是起重机设计及运行时的重要荷载，近年来门式起重机呈现“大型化”“柔性化”的发展趋势。大型门式起重机受其结构特性影响，对风荷载极其敏感,现行《起重机设计规范》仅通过风力系数及挡风折减系数对起重机迎风面的静风荷载进行界定，因而无法获得起重机各表面的风荷载分布情况。为解决这一问题，利用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）软件对大型门式起重机的风场绕流特性进行仿真分析，并运用单向流固耦合方法将风荷载数据引入起重机计算结构力学模型并进行有限元分析，从而获得自然风场中大型门式起重机的风荷载响应，并将它与根据《起重机设计规范》计算得到的结果进行对比。结果表明：利用计算流体力学仿真分析得到的起重机整机风荷载与根据《起重机设计规范》计算得到的结果相近，但基于流固耦合方法所得的起重机结构应力大22.77%，结构应变大17.23%，这是因为自然风场中起重机各表面均受风荷载影响，而《起重机设计规范》仅对迎风面风荷载进行量化，忽略了流体在非迎风面产生的负压以及黏性力作用；门式起重机的主梁及支腿为串列结构，上游结构对下游结构有屏蔽效应，使得下游结构表面为负压，且屏蔽效应随着上下游结构间隔比的增大而减弱。研究结果可为起重机的设计校核提供参考。

随着内燃机不断向高效率、大功率、智能化方向发展，其核心部件涡轮增压器逐渐向高压比、高转速、大流量方向迈进。由于涡轮增压器压气叶轮的转速非常高，压气叶轮爆裂尤其是产生非包容性碎片时会对内燃机运行安全造成严重危害，甚至造成人员伤亡，因此研究涡轮增压器的包容性尤为重要。基于有限元法，针对涡轮增压器包容性（压气叶轮的爆裂转速和弱化方式），分别运用线弹性材料模型及双线性等向强化弹塑性材料模型模拟了涡轮增压器压气叶轮在离心载荷作用下的爆裂转速，并对完整压气叶轮及2种弱化处理的压气叶轮进行了包容性试验。结果表明：运用双线性等向强化弹塑性材料模型计算得到的压气叶轮爆裂转速与试验值约相差2%，而运用常规线弹性材料模型计算得到的压气叶轮爆裂转速与试验值约相差16%，偏保守。同时，2种弱化处理的压气叶轮均在预定转速下爆裂，验证了弱化方式的合理性与准确性；通过控制开槽的尺寸即可实现压气叶轮在预定转速下爆裂。研究结果为后续涡轮增压器压气叶轮包容性分析奠定了基础。

动静轴结构旋翼轴是一种具有抗弹击能力的新型直升机旋翼轴构型，拟对自主设计的鼓形花键动静轴结构旋翼轴和柔性联轴节动静轴结构旋翼轴进行载荷分离特性研究。利用有限元软件对这2种动静轴结构旋翼轴的载荷分离系数进行仿真分析，并开展多通道加载试验加以验证。结果表明采用7 mm壁厚静轴时动静轴结构旋翼轴的载荷分离系数相比采用4 mm壁厚静轴时明显提高；柔性联轴节动静轴结构旋翼轴的综合载荷分离系数为77.37%，略高于鼓形花键动静轴结构旋翼轴的76.33%。研究结果可为直升机动静轴结构旋翼轴的设计提供指导。

为研究环形气囊在地面及水下的充气特性，对其充气过程展开试验研究和仿真分析。在地面及不同深度的水下开展了环形气囊充气试验，利用高速相机获取了充气过程的影像，并记录充气时间。建立了地面及水下环境中环形气囊充气过程的数学模型，并分析了充气深度对充气过程的影响，发现充气时间与充气深度呈明显的非线性关系。根据分析结果，提出了不同充气深度下使用不同体积气瓶的充气策略，以兼顾环形气囊充气过程的稳定性和灵活性。对比分析环形气囊充气过程的仿真结果与试验结果，发现两者的一致性较好，验证了充气过程数学模型的正确性，这可为水下充气装置的工程设计和应用提供参考。

针对老年人在日常生活中存在行动不便与认知障碍等问题，设计了一款操作简便、功能丰富的助老服务机器人。为降低助老服务机器人的操作难度，增强用户的体验性，通过建立人体手臂与机器臂的空间关节映射模型，实现了机械臂的仿人运动控制。首先，按照人体手臂与机械臂的结构及自由度分布情况初步建立人机关节映射模型，采用蒙特卡罗方法，对人体手臂和机械臂的工作空间进行仿真分析与对比。然后，针对人体手臂与机械臂在空间结构以及自由度分布上的差异导致的机械臂工作空间较小且无法完全复现人体手臂运动的问题，提出了相应的改进方案，并重新建立了人机关节映射模型；通过Kinect视觉传感器获取人体关节的空间位姿信息，并以人体左肩关节为原点建立人体坐标系，采用空间向量法及基于肘部约束的人臂逆运动学解法求解人体关节的位姿变化。最后，搭建了助老服务机器人仿人运动实验平台，对改进后的人机关节映射模型和相关控制算法的有效性及合理性进行了验证，实验结果表明关节重映射后机械臂能高度还原人体手臂的动作。研究成果对提高机器人的交互能力具有借鉴意义，对降低机器人的操作难度效果明显，也为后续研究更加复杂的仿人运动机器人奠定了基础。