确定结构维修间隔是民机结构维修大纲中的关键内容之一，民机利用率对维修间隔制定的合理性有很大影响。基于环境损伤条件下的民机结构，通过分析不同利用率下影响金属结构环境损伤的指标的敏感性，提出了民机结构维修间隔与利用率匹配模型。在该模型中，应用序关系分析法-属性重要度相结合的组合赋权方法，对不同利用率下影响金属结构环境损伤的指标进行组合权重评估，确定金属结构环境损伤的总等级，并根据环境损伤等级-维修间隔回归方程确定了不同利用率下的民机结构维修间隔，最后采用灰色关联分析法验证了不同利用率下各指标评价值与理想值的关联度。以某型飞机中央盒段上壁板内表面维修间隔确定为例，对所提出的模型进行验证分析，利用模型得到的维修间隔与维修审查委员会报告（maintenance review board report，MRBR）规定相比偏小，鉴于该文件规定的为最低工程要求，从而确定该维修间隔满足要求，证明了模型的有效性。研究成果表明，建立的民机结构维修间隔与利用率匹配模型的适用性较强，可以有效解决国产飞机结构维修大纲中维修间隔确定时利用率考虑不足的问题，具有较高的工程应用价值。

随着油气开采不断向深部硬地层发展，常规PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头出现破岩速度慢、易损坏、效率低等问题，难以满足当下提速增效的钻井需求。PDC切削齿结构是提高PDC钻头破岩效率的关键因素，针对不同岩石地层进行不同结构切削齿的设计具有重大意义。针对深部硬地层钻井，设计了一种非平面结构的新型PDC齿，该PDC齿具有脊形切削结构且可分层破碎岩石。为掌握此新型PDC齿的破岩机理和各项性能，采用有限元仿真模拟与试验相结合的方法，开展了新型PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比研究。结果表明：新型PDC齿在水平方向、横向和纵向三个方向所受切削力的均值及波动幅度均较小，因此新型PDC齿在破岩过程中有更稳定的切削能力；新型PDC齿受剧烈磨损和冲击崩断的可能性更小，使用寿命更长，且具有更高的破岩效率。研究结果可为新型PDC齿的研发和推广提供理论依据，为PDC钻头在硬地层钻井过程中实现提速增效提供支撑。

为了有效控制低频宽带噪声，结构简单的声衬被广泛应用。传统声衬只能消除固定频率的噪声，即当环境噪声频率发生改变时，传统声衬消声性能明显下降。为此，提出了一种自适应消声系统，利用压电声衬工作原理，通过LabVIEW串口通信技术传输与控制数据程序，驱动压电声衬使它能根据噪声频率的变化自适应控制信号；通过调节电源输出电压，改变压电声衬共振腔体积，从而及时有效地调节压电声衬消声频率，拓宽压电声衬的消声频带。分析结果表明，压电声衬共振腔体积减小时，消声频带向低频方向偏移，反之向高频方向偏移；当输出电压为-100~200 V时，自适应消声系统可在噪声频率为1 364~1 420 Hz的环境中一直保持最佳的消声效果，实现了自适应消噪。研究结果表明，对声衬施加直流电源可以对其消声频率进行调节，使其消声频带随着噪声频率的变化而偏移，拓宽其消声频带。设计的消声系统可以实现噪声的自适应控制，可为声衬的主动控制及优化提供参考。

油膜厚度是反映推力轴承运行状态的重要参数，对油膜厚度进行实时在线监测有助于实现推力轴承的稳定运行。以某大型水轮机组推力轴承为例，结合其润滑流体的雷诺方程和油膜厚度方程，利用有限差分法分析了不同载荷和不同转速下推力轴承油膜厚度和压力分布的变化规律，并设计了一种油膜厚度实时在线监测方法。理论分析结果表明，当转速一定时，推力轴承油膜厚度先随着载荷的增大而增大，达到峰值后，随着载荷的增大而减小；当载荷一定时，油膜厚度随着转速的增大而增大。理论分析结果与该水轮机组推力轴承油膜厚度的在线监测数据完全吻合，验证了提出的油膜厚度在线监测方法的可靠性，为推力轴承运行状态的诊断提供了科学依据。

振动器是可控震源地震信号激发的关键装置，长期宽、高频地震波激发致使振动器平板焊接部位出现裂纹甚至疲劳失效，这不仅会大大减短平板工作寿命，而且严重影响震源信号质量。由此，对平板开裂断口的微观形貌进行分析，掌握平板疲劳损伤区域内损伤特征、裂纹扩展规律，揭示平板开裂断口损伤机理。针对平板疲劳损伤模式和特点，开展平板“三点弯曲”疲劳试验，拟合平板S—N曲线，预测平板疲劳寿命，并与采用断裂力学法的疲劳寿命计算结果进行比较。结果表明，经疲劳试验参数修正的S—N曲线法的精度高于断裂力学法，可准确预测震源振动器平板的工作寿命。研究成果为延长震源振动器平板的疲劳寿命、增强其可靠性提供了科学的理论支持，有助于提高我国油气勘探技术及相关工程装备的研发水平和国际竞争力。

针对传统制造加工设备在生产加工过程中存在设备与数据信息联系不紧密，设备使用维护多依赖于人工经验等问题，提出了一种新的设备智能化方法。首先，在信息层建立能反映制造加工设备真实状态的数字孪生体；其次，基于历史加工大数据，通过数字孪生体对加工过程的行为进行建模及深度学习和训练，并利用训练好的人工神经网络根据采集到的实时数据来预测制造加工设备下一时刻的状态，使制造加工设备实现物理层与信息层数据的深度融合，拥有自我感知、自我预测的能力，最终实现智能化；最后，以浆料微流挤出成型设备挤出结构系统的智能化实施过程为例，验证了所提出方法的可行性。实例结果表明该设备智能化方法可有效地对挤出结构系统的运行状态进行监测及预测，为后续提高挤出成型精度提供了有效的数据信息。研究表明数字孪生和深度学习技术能够提升制造加工设备的智能化程度，可为未来智能制造的发展提供理论支撑。

针对水下复杂工作环境下机械臂控制性能易受影响，而传统控制方法效果不佳的问题，提出了一种基于模糊RBF（radial basis function，径向基函数）神经网络的智能控制器，用于精确、稳定地控制水下机械臂。考虑到在水扰动环境下，机械臂通常受到附加质量力、水阻力和浮力的影响，运用拉格朗日法和Morison方程，建立包含水动力项的二杆机械臂动力学模型，通过模糊RBF神经网络对水下机械臂动力学方程中的水动力不确定项进行总体识别并拟合，利用模糊系统启发式搜索和RBF神经网络推理速度较快的优点，使水下机械臂系统具有较高的控制精度和较强的自适应性。考虑到水动力项，采用Lyapunov稳定性理论验证了水下机械臂系统的稳定性。最后利用MATLAB对二杆机械臂进行轨迹跟踪控制仿真实验，并对比模糊RBF神经网络与常规RBF神经网络识别方法和传统模糊控制方法的控制效果。仿真结果表明：与常规RBF神经网络识别方法相比，模糊RBF神经网络控制下二杆机械臂关节1的响应时间缩短了91%，相对误差减小了88%，关节2的响应时间缩短了92%，相对误差降低了77%；与传统模糊控制方法相比，关节1的相对误差减小了65%，关节2的相对误差减小了10%。研究结果表明模糊RBF神经网络的控制效果优于常规RBF神经网络识别方法和传统模糊控制方法，可为水下机械臂的控制提供一种精度较高、较有效的方法。

为了提升辐射井水平钻机承载部件的安全性与稳定性，运用试验设计（design of experiment，DOE）与有限元仿真技术对承载部件进行优化设计。通过正交试验法结合ANSYS Workbench有限元静力学仿真对由回转平台、立支架及横支架组成的承载系统的加强筋板布置形式进行优化设计，获得承载系统加强筋板的最优布局类型。在此基础上，运用基于试验设计的响应面优化法对回转平台的台面厚度、筋板高度及筋板厚度进行优化设计，进一步减小回转平台的最大等效应力、最大变形及质量，提升承载系统的安全性与稳定性。结果表明承载系统加强筋板的最优布局类型为：回转平台采用纵横筋板，立支架采用X形筋板，横支架采用V形筋板；回转平台的最优参数组合为：台面厚度为11.2 mm，筋板高度为31.9 mm，筋板厚度为12.3 mm。集成运用试验设计与有限元仿真技术对水平钻机承载部件进行优化设计的方法可为水平钻机实体样机设计提供一定的参考。

为了探讨位移边界条件对钢筋混凝土深梁拓扑优化的影响，同时为深梁设计提供有效的力学理论依据，以ANSYS有限元分析软件为平台，利用其参数化设计语言的二次开发功能，并借助具有直观高效拓扑寻优能力的渐进演化类算法，分别对4根支座约束条件不同的双侧开洞深梁、4根开洞情形不同的两端固定铰支深梁以及3根支座约束与开洞情形均有一定差别的连续深梁进行拓扑优化，并对不同拓扑解进行对比分析。结果表明：集中力作用下深梁的拓扑解均近似为杆系结构，提高支座约束程度可以使传力路径增加，传力方式更直接；当深梁因工程原因或功能需求而不得不设置洞口时，洞口位置离原传力路径越远则越有利于结构内部的传力；连续深梁与单跨深梁的拓扑解的主要差别体现在中支座处的梁顶拉杆上，这些拉杆能够提高结构的整体刚度。因此，在工程设计中，针对不同位移边界条件下的钢筋混凝土深梁，可以根据它们拓扑解的差异以及造成这些差异的力学机理，采取不同的设计方案，包括支座约束、开洞情形以及配筋方式等的选取。研究结果可为深梁这类复杂受力构件的设计提供力学理论依据。

在金属切削过程中，能量的产生与耗散时刻存在，这会直接影响加工材料的形变与加工质量。以硬质合金车刀为研究对象，借助结合理论计算、切削实验与仿真分析的研究手段，对改进的硬质合金微槽车刀和原车刀在切削高强合金钢过程中切削能的产生、传递与耗散展开研究，从能量角度揭示硬质合金微槽车刀的降温机理。研究发现，硬质合金微槽车刀较原车刀降低了切削过程的能耗，其单位总输入能、单位摩擦能、单位剪切能的降幅分别为5.1%，10.4%和3.4%；从能量耗散角度分析发现，硬质合金微槽车刀切削区平均温度低于原车刀，且理论计算和实验分析结果与仿真结果一致。研究结果为硬质合金微槽车刀的深入研究提供了理论支持，为其它类似金属加工过程中切削能量的对比研究提供了有效的参考。

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。

由于工作环境复杂多变，制动器工作不稳定而导致振动和噪声，鼓式制动器制动时的温度变化对制动不稳定性影响较大，研究制动不稳定性影响因素及其制动不稳定时变特性具有实际工程意义。基于鼓式制动器四自由度接触模型，分别在Hypermesh和ABAQUS中建立鼓式制动器制动鼓和制动蹄总成模型与摩擦制动接触模型并进行试验验证；通过热机耦合动态分析，研究制动鼓温度对制动应力的影响；分析弹性模量和热膨胀系数对鼓式制动器制动不稳定时变特性的影响。分析表明：制动不稳定性是摩擦力耦合所致；制动过程中制动鼓温度与应力相互作用且均先快速上升后缓慢下降；鼓式制动器制动不稳定时变特性主要体现在不稳定模态个数及不稳定倾向系数（tendency of instability, TOI）值的变化，制动温度变化导致弹性模量变化，引起不稳定模态个数和TOI值略有变化，弹性模量对鼓式制动器制动不稳定时变特性影响较小；制动温度变化导致热膨胀系数变化，引起不稳定模态个数和TOI值先大幅降低后略有升高，热膨胀系数对鼓式制动器制动不稳定时变特性影响较大。研究结果对改善汽车制动声品质具有一定指导意义。

传统全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）刀盘转速同步控制方法是针对变频电机单一驱动源进行设计的，直接应用于混合驱动型TBM刀盘驱动系统易导致齿轮齿圈发生严重的偏载，显著降低TBM刀盘传动系统的使用寿命和TBM设备完好率。考虑到实际掘进过程中对刀盘转速的限制和系统参数漂移，采用自适应控制策略，针对电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统设计基于驱动源力矩控制的转速控制方法。建立了齿轮齿圈传动系统模型，系统的参数不确定性得到充分考虑。通过MATLAB/AMESim联合仿真表明，该自适应控制系统对参数漂移具有补偿作用，在精确控制刀盘转速的同时，实现了不同类型驱动源间的负载力矩分配，原系统中的偏载问题得到了解决。电液混合驱动型TBM刀盘驱动系统通过液压马达和变频电机两种驱动源驱动特性的互补，有效提高了其地质适应性，并对提高掘进速度有着重要的作用。

海洋装备的快速升级使得海上吊装应用广泛，但吊装设备易受风浪影响，导致系统控制精度降低。为提高海上吊装设备的控制精度，提出了基于干扰观测器的波浪升沉自适应反步补偿策略。以波浪升沉补偿系统为研究对象，对三级海况下的船舶升沉运动轨迹及其电液提升系统的非线性模型进行推导；利用波浪模拟平台模拟船舶的升沉运动，采用基于干扰观测器的自适应反步补偿策略对电液提升系统的非线性误差进行抑制；通过Lyapnov判据验证自适应反步补偿策略的稳定性，并通过仿真和试验对控制器性能进行验证。试验结果表明，相较于传统的PID（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制策略，基于干扰观测器的波浪升沉自适应反步补偿策略具有更好的控制效果。对于海上吊装设备的控制系统，基于干扰观测器的自适应反步补偿策略可有效地抑制外界干扰及系统非线性干扰对控制器的影响，提高对海上吊装设备升沉运动的位置补偿精度。

为更好地辅助中风偏瘫患者进行早期康复治疗，基于上下肢运动神经耦合理论，研制了一款上下肢康复机器人。首先，依据康复医学相关理论对上肢和下肢康复装置进行结构设计，并对下肢康复装置中的踝关节康复装置和下肢长度调整装置的机械结构进行详细介绍。然后，采用极点配置法建立位置闭环控制系统，实现上下肢康复机器人的被动联动运动。最后，招募4名健康的测试者进行上机测试。实验结果表明，该机器人实现了上下肢关节同步被动运动，且上下肢各关节运动轨迹误差不超过1.50°，说明其运动轨迹跟踪效果良好。该上下肢康复机器人可以实现双侧肩、髋、膝和踝关节共8个关节的联动运动，有望为偏瘫患者提供更好的早期步态康复治疗。

可控预紧力主轴能够满足高速主轴在整个切削转速范围内热、动特性兼优的要求，已逐步成为智能主轴的重要发展方向。为弥补压电驱动器（piezoelectric actuator, PEA）可控预紧力主轴设计及选型方面的不足，提出一种具有分辨率高、响应快、对切削刚度影响小及结构紧凑等优点的PEA可控预紧力主轴结构。建立了静止状态和运行状态下的角接触球轴承刚度模型，并以此为基础建立了PEA可控预紧力主轴的等效力学模型，得到了预紧机构负载刚度随预紧位移的变化规律。然后，分析了PEA的输出特性，建立了预紧机构的实际输入输出模型，并通过该模型分析了初始预紧力和PEA刚度对预紧力控制区间的影响规律，进而提出了预紧机构设计选型原则。最后，应用提出的主轴结构和预紧机构设计选型原则设计了PEA可控预紧力主轴试验台。试验结果表明预紧力控制分辨率为1.5 N，阶跃响应时间为300 ms，验证了所建预紧机构实际输入输出模型的准确性；温度控制试验结果表明该主轴试验台具有良好的温度调控能力。研究结果可为实际工程中PEA可控预紧力主轴的设计提供指导。