在零件自顶向下的设计过程中，随着领域知识的不断引入，其设计状态不断递进转换。为构建零件从功能到结构规范化的演化过程，分析了零件功能和结构约束的映射关系，完整表达了零件设计状态的转换过程，定义了从功能到结构语义、零件约简结构至详细结构的渐进式的零件多域视图模型。通过对零件模型的功能约束、拓扑结构及作用关系的分析，以及对零件构成单元的功能时序、功能单元、几何结构、形位、装配与进化序列的分析，建立了基于功能约束和结构约束的零件关联约束模型，并将抽象语义知识进行结构化处理，构建了由功能视图模型、功能结构过渡语义描述模型、结构约简视图模型和结构视图模型组成的自顶向下的、渐进式零件多域视图模型。根据零件特征信息的表达层次和表达需求对上述各视图模型进行表述，体现零件在不同形态、不同阶段的设计知识，形成一个具有过程性、动态性、层次性和递进演化特性的零件对象定义模型。基于多域视图模型，可形成零件结构的多重解释，从而实现功能驱动的零件结构系列化设计，拓展狭义的零件结构设计的范畴，有助于实现基于模型的计算机辅助零件设计，推进产品设计过程的自动化和智能化。

两段式液压机械无级传动能够实现大传动比、宽传动范围的无级变速，并且可以降低液压元件的额定功率，提高全程的传动效率。该传动机构的运动特性关系着整车工作模式的设定及其性能的发挥。分析了液压机械无级传动机构分矩汇速型、分速汇速型和分速汇矩型三种类型的分汇流形式。利用杠杆法分析了外力构件位置对机械点分布、液压元件正反相位和功率流类型的影响，获得了两段式液压机械无级传动机构的可行分汇流形式。总结了各个段内液压元件转速与输出转速的关系，并基于无速差换段理论对段间输出转速的衔接规律进行了研究。通过液压元件正反相位的往返变化，实现了两段式液压机械无级传动输出转速的连续无级变化。搭建了采用分矩汇速+分矩汇速型液压机械无极变速器的ZL50型装载机的仿真平台，进行装载机在典型V循环工况下运动特性的模拟，分析了变速器的输出转矩和传动效率，结果验证了理论分析结果的正确性。研究揭示了液压机械无级传动机构的段内运动特性及段间的运动衔接规律，为液压机械无级传动机构的设计及工程应用提供了理论依据。

圆度误差是评价机床加工精度的重要指标。为实现机床圆度误差测量不确定度的评定，对基于球杆仪测量的机床圆度误差的贡献因素及不确定度评定方法进行研究。首先，采用最小二乘法（least sqaure method，LSM）对圆度误差进行评定。然后，基于黑箱理论提出了多源融合误差测量不确定度评定方法。接着，根据球杆仪测量机床圆度误差的基本原理，建立了机床圆度误差测量不确定度评定模型。最后，利用球杆仪对某加工中心ZX平面的圆度误差进行多组重复测量实验，采用所提出的方法对圆度误差测量不确定度进行计算，并与基于蒙特卡罗法（Monte Carlo method，MCM）的计算结果进行对比验证。结果表明，基于所提出方法和MCM的机床圆度误差测量不确定度的评定结果分别为1.190 0 和1.160 0 μm，两者的相对偏差约为2.5%，由此验证了所提出方法的可行性。所提出方法规避了繁杂的输入量与输出量之间函数关系的求解过程，简化了机床圆度误差测量不确定度的评定过程，具有较强的实用性。

以3-（P）URU（P）并联机构为主体的管道蠕动机构通过交替移动动定平台及连接两平台的3条URU支链实现在管道内的蠕动，从而可以应用于工农业运输管道的监测和探伤等。机构的奇异性会影响其使用效率和工程质量等，因此提出了一种移动并联机构的奇异分析方法并对该机构进行奇异性研究。首先，根据螺旋理论并结合线几何法分析了支链奇异、约束奇异和驱动奇异的位形； 然后，分析了机构在管道内蠕动过程中的奇异性，结果表明，机构在弯管内会发生支链奇异且导致自由度减少甚至在管道内卡死，在直管内会发生约束奇异导致其蠕动不可控；最后，根据机构奇异的约束关系建立了约束方程，并通过数值仿真得出各自的奇异轨迹。研究结果对后续机构控制系统的设计及其工程应用提供了重要的理论基础。

为了在虚拟现实（virtual reality，VR）环境中准确模拟用户的放置任务和避免由交互设备抖动等因素导致的放置精度低的问题，利用自然手势进行交互，并提出一种基于改进Fitts定律的面向VR放置任务的自然手势交互时间的预测方法。首先，构建了“手势交互—VR环境—VR交互任务”的交互逻辑，建立了自然手势与交互任务之间的语义映射关系；其次，根据自然手势设计原则，进行了面向VR放置任务的自然手势交互实验；然后，结合VR放置任务的特点，将移动距离、目标物容差和移动物体大小融入经典Fitts定律，建立了基于改进Fitts定律的自然手势交互时间预测模型；最后，对实验数据进行回归分析。回归分析结果显示：基于经典Fitts定律拟合得到的相关系数R²=0.515，交互时间的预测值与真实值存在较大偏差，表明经典Fitts定律不适用于面向VR放置任务的自然手势交互时间的预测；基于改进Fitts定律拟合得到的相关系数R²=0.970，交互时间的预测值与真实值相吻合，表明改进Fitts定律具有良好的适用性，可准确预测面向VR放置任务的自然手势交互时间。研究结果丰富了VR交互方式，并可为VR环境中人机交互界面的设计提供指导。

箱式电梯狭小空间内人员之间大量的间接接触给2019冠状病毒病的传播带来了隐患，如何抑制病毒在电梯中生存和传播成为亟待解决的问题。为此，通过分析公理化设计（axiomatic design，AD）和发明问题解决理论（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）这2种创新设计方法的优缺点，面向突破性设计、适应性设计和变参数设计等不同的设计类型，提出了集成AD和TRIZ的创新设计方法。首先，对产品的功能需求进行分析，以确定其归属的设计类型，并利用AD理论对功能需求进行分解，采用TRIZ构建功能-结构树。然后，对初步确定的设计方案进行耦合判断，并利用TRIZ进行解耦，经多次迭代求解后得到最终的设计方案。以传统箱式电梯的公共交互控制面板和密闭运载轿厢为研究对象，面向阻止病毒传播和消杀病毒的功能需求，采用集成AD和TRIZ的创新设计方法对箱式电梯的防疫功能模块进行设计，最终为传统箱式电梯设计了非接触式交互控制模块和分条件消毒灭菌模块。创新设计实例在从传统的机械结构设计拓展到新型的人机交互模式设计方面做了有益的尝试，验证了集成AD和TRIZ的创新设计方法的可行性。研究结果可为产品新功能模块的概念创新设计提供有效的理论支撑。

串联式机床整机的刚度受到刚度最小的薄弱模块的制约。为了提高机床整机的刚度，提出了一种新的机床薄弱模块识别方法。首先，利用模块化设计方法对机床进行模块划分。然后，将包含主轴的最小模块作为基础模块，逐一添加同一串联结构中的模块，通过分析添加某个模块后结构变形量的增量来确定机床的薄弱模块。最后，对识别出的薄弱模块进行结构改进，并以机床的整机质量，X、Y、Z向变形量和动态特性为评价指标，利用基于熵权法的模糊综合评价法对结构改进前后机床的性能进行对比，以验证所提出方法的可行性。C型搅拌摩擦焊机床薄弱模块识别实例的结果表明，所提出的方法不仅能够准确识别机床的薄弱模块，而且能够准确获取薄弱模块的薄弱方向。研究结果可为机床结构的改进奠定理论基础。

螺杆马达是螺杆钻具的动力源，其定子与转子之间过盈量的合理设计对马达工作性能和使用寿命至关重要。首先，建立了螺杆马达定子与转子的二维啮合有限元模型，并分析了工作压力和井下温度对定子廓形的影响。然后，基于密封性能评价准则，对不同过盈量下定子与转子的接触应力进行计算，并提出定子大、小径处采用不同过盈量的非均匀过盈量设计方法。最后，以螺杆马达转子为基准，设计了考虑压力与温度影响的定子廓线，在理论上实现了定子与转子之间的有效密封和良好接触。螺杆钻具整机台架试验结果表明：相较于传统的过盈量设计方法，考虑压力和温度影响的非均匀过盈量设计方法可使螺杆马达具有更高的效率。研究结果可为螺杆马达过盈量及其余参数的设计提供一定参考。

为解决人工矫直线缆时矫直精度和标准化水平低的问题，对一种新型电力线缆的矫直过程进行了有限元仿真和实验分析，研究了线缆矫直过程中线缆挠度的变化规律。利用ANSYS workbench软件建立半圆状线缆有限元模型，采用瞬时动力学仿真分析压入量为0.5 mm时线缆矫直情况；在此基础上，分析在相同进给速度、不同线缆内径和相同线缆内径、不同进给速度下线缆的矫直过程，研究线缆挠度与线缆内径和进给速度的关系；制备了弯曲线缆试样，进行线缆矫直实验。结果表明：在0.5 mm给定压入量下，线缆矫直结果符合预期；线缆内径和进给速度对线缆挠度影响较大。线缆内径越大，进给速度越快，则线缆挠度越大，矫直精度越低且挠度变化趋势呈非线性。线缆挠度仿真值与实验值的误差在10%之内，验证了线缆矫直机有限元模型的准确性。研究结果可为提高线缆矫直机的矫直精度、工作效率及矫直机的优化设计提供参考。

双离合变速器（dual clutch transmission，DCT）具有换挡速度快、传动效率高和质量小等优点，搭载DCT的电动汽车的动力性与经济性可显著提高。在DCT中，电液控制系统总成的设计尤为关键。以纯电动汽车的两挡干式双离合变速器（简称为2DCT）为研究对象，对其电液控制系统总成进行设计。首先，基于2DCT中干式双离合器的结构和性能参数，对2DCT电液控制系统的关键元件进行选型和计算。然后，基于2DCT电液控制系统的原理，设计了一体式液压阀体，并通过静力学分析来验证其结构的稳定性。最后，对2DCT电液控制系统的一体式液压阀体的结构进行拓扑优化，以减小液压阀体的质量，从而实现轻量化。结果表明，所设计的电液控制系统总成的工作特性和结构强度均满足要求，可充分提高电动汽车的平顺性和响应速度。研究结果可为电动汽车变速器电液控制系统总成的开发提供理论依据。

针对电磁式发动机电磁线圈由工作温度过高导致其内阻过大、发动机工作效率降低的问题，应用流固耦合传热理论对发动机水冷系统的传热性能进行研究。以电磁式发动机水冷系统流场和固场为研究对象，建立流固耦合传热的数学模型；利用UG （Unigraphics）软件建立水冷系统流固耦合模型，对水冷系统的流场和温度场分布进行仿真分析。结果表明：水冷系统死角区域内的流体会使周围流体的运动阻力加大，流速变小；冷却水套材质采用导热性较好的铝合金，可提高无流区的散热能力；水套进出口采用对角结构设计，可使水冷系统热量吸收较均匀。根据汽车行业相关标准进行温升实验，测量水冷系统各关键部位的温度，测得进水口处的温度为26.4 ℃，出水口处的最高温度为46.7 ℃，表明冷却系统设计合理，具有较好的传热降温作用。所设计的电磁式发动机水冷系统在新能源汽车领域具有较广的应用前景。

螺栓是转盘轴承的关键紧固件。为考察紧固螺栓工作参数对转盘轴承载荷分布的影响，提出了一种针对三排滚柱式转盘轴承的有限元等效建模方法。首先，基于三排滚柱式转盘轴承的结构特点和受力情况，建立考虑紧固螺栓的转盘轴承有限元模型，并从减少计算量和保证计算效率等方面考虑，采用非线性弹簧单元模拟滚子，通过有限元仿真快速获取了该转盘轴承的载荷分布。然后，设计并开展三排滚柱式转盘轴承静态加载试验，通过有限元仿真结果和试验结果的对比验证了所构建有限元模型的准确性。最后，基于构建的有限元模型，分析了螺栓预紧力和螺栓结合面处摩擦系数对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响。仿真结果表明：螺栓预紧力对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响显著，而螺栓结合面处摩擦系数的影响微弱，其中上排滚子承受的最大载荷随螺栓预紧力的增大而增大，下排滚子承受的最大载荷随预紧力的增大而减小；在轴向力和倾覆力矩的联合作用下，三排滚柱式转盘轴承下排滚子承受的载荷总体上高于上排滚子，充足的螺栓预紧力可以提高转盘轴承的承载能力，而螺栓预紧力不足则会使下排滚子承受更大的载荷，导致转盘轴承提前失效。研究结果可为转盘轴承的安装和后期维护提供参考。

为了研究采煤机滑靴的振动特性，对采煤机整机进行动力学建模分析。首先，根据采煤机部件的功能，将采煤机划分成前、后滚筒，前、后摇臂，机身，前、后导向滑靴和前、后平滑靴等9个部分；然后，基于拉格朗日法构建了采煤机三向耦合动力学模型；接着，对所构建的动力学模型的坐标耦合问题进行分析，并采用Wilson-θ算法对动力学模型进行仿真求解；最后，通过采煤机振动实验获取了滑靴的三向振动加速度，并与仿真结果进行对比。结果表明：通过仿真与实验获得的滑靴振动加速度的中位数均集中在平衡位置“0 m/s²”处，但仿真结果的四分位数全距大于实验结果，即仿真结果相对发散，而实验结果更为聚集；仿真结果与实验结果的相关系数均大于0.3，呈实相关，其中部分数据的相关系数大于0.5，呈显著相关；在仿真结果与实验结果的P值直方图中，各组数据的P值均大于0.05，说明在95%置信区间内，仿真结果与实验结果无显著差异，表明仿真结果可以近似代替实验结果，具有一定的准确性和实用性。研究结果可为采煤机滑靴的故障诊断、结构优化以及疲劳寿命分析提供理论依据。

为解决纠偏传输时纸塑复合袋易产生褶皱的问题，设计了一种磁力压紧纠偏装置。首先，综合利用磁压紧皮带、传送带和磁铁位置调整装置等零部件，完成了纸塑复合袋磁力压紧纠偏装置的结构设计，并根据纸塑复合袋的受力分析，建立了动态磁力压紧纠偏数学模型。然后，对纸塑复合袋磁力压紧纠偏装置进行有限元建模，并根据纸塑复合袋纠偏过程设置边界条件及接触参数，采用显示动力学分析方法对其动态纠偏过程进行仿真。接着，基于仿真结果，结合BP（back propagation，反向传播）神经网络和GA（genetic algorithm，遗传算法）（简称为BP-GA算法），建立了纸塑复合袋磁力压紧纠偏装置工艺参数优化模型。最后，通过相应的计算程序，实现了纸塑复合袋磁力压紧纠偏装置工艺参数的优化。结果表明：所设计的纸塑复合袋磁力压紧纠偏装置能较好地实现纠偏功能，可使纸塑复合袋在传输时产生的褶皱符合设计要求；纠偏时该装置的最优工艺参数为电磁铁磁力为7 N，左、右两侧皮带组件的间隙为476 mm，皮带组件与纸塑复合袋之间的动摩擦系数为0.25，实验结果与基于BP-GA算法的寻优结果较为一致。研究结果可为纸塑复合袋连续磁力纠偏的深入研究提供一定的参考。

针对现有湿垃圾就近处理装置存在成本高、占地面积大以及垃圾处理后仍达不到排放标准等问题，研制了一款新型机械压缩式湿垃圾处理装置。首先，介绍了机械压缩式湿垃圾处理装置的功能和技术特点。然后，对机械压缩式湿垃圾处理装置进行模块化设计，主要包括提升装置、传送带分拣装置、破碎脱水装置、污水处理装置以及压块装置等。最后，对机械压缩式湿垃圾处理装置的技术参数进行设计计算，并对其自动控制方案进行设计。所设计的机械压缩式湿垃圾处理装置将传统的垃圾破碎机与压榨脱水机进行一体化设计，实现了湿垃圾的高效脱水；通过压块装置的处理，实现了垃圾碎渣的压缩，可有效缓解垃圾运输中的运力紧张、二次污染等问题；经污水处理装置的处理，实现了污水的循环再利用。机械压缩式湿垃圾处理装置具有成本低、体积小、处理流程简洁和耗费人力资源少等优势，适用于已实施垃圾分类收集的中小型垃圾收集站，在湿垃圾处理行业中具备广阔的市场前景。

为避免垃圾桶中的垃圾直接与人体接触，减少垃圾对环境的污染，基于电动热封口技术，设计了一种电动热封口式垃圾桶。以MSP430单片机为控制核心，采用梯形丝杠传动技术，将步进电机的转动转换为垃圾桶压条装置的直线运动；在压条装置上辅以合理的电路设计以及双层电热丝结构，实现对塑料垃圾袋无间隙、低噪音封口；选用LCD12864液晶显示器和语音模块，用文字和声音实时显示封口过程。设计了垃圾桶的封口单元和电动热封口控制单元，进行了塑料垃圾袋的封口实验。实验结果表明，选用PE （polyethylene，聚乙烯）材质垃圾袋和Cr20Ni80电热丝能够快速准确地实现电动热封口。研究结果对垃圾桶的绿色设计和智能化设计具有重要的参考价值。