采用直写成形工艺制备FGMs（functionally graded materials，功能梯度材料）零件时存在材料配比变化延迟的现象，导致所制备零件的材料配比与设计目标的吻合度较差，材料性能的未知性增大，从而存在潜在的使用风险。为了准确获取在不同工艺参数下材料配比的延迟信息，构建了一种基于计算流体力学的神经网络预测模型。基于RNG k-\epsilon模型，采用优化后的贝叶斯正则化神经网络模型来预测不同工艺参数所对应的延迟信息，即在不同的材料初始配比、目标配比、螺杆转速、双挤出柱塞进给速率和下预测交付延迟时间和整体延迟时间，其预测精度分别可以达到94.87%与92.74%。采用数字图像处理方法对在不同工艺参数下打印的FGMs试样进行处理，结果表明实际打印试样的材料梯度变化曲线与仿真结果有较高的吻合度，验证了以计算流体力学为分析框架的仿真结果的准确性以及所构建的优化神经网络模型对延迟信息预测的可行性与可靠性。研究结果为未来将数字化预测方法融入FGMs零件本体制备的工艺提供了参考，可以促进传统制造模式向数字化制造模式转变，最终实现FGMs零件的精准制造。

金属构件疲劳破坏是工业中常见的破坏形式。为了提高构件疲劳寿命的预测精度，针对低周疲劳载荷下平均应变对疲劳寿命的影响，基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架，并引入Ramberg-Osgood循环本构模型，以等本征损伤耗散功作为等寿命条件，建立了一种考虑平均应变的低周疲劳寿命预测模型。为对比验证新建模型的有效性和先进性，采用新建模型、修正的Ohji模型、Sandor模型和Wei-Wong模型分别对叠加平均应变的45钢和2124-T851铝合金的低周疲劳寿命进行了预测，并与对应的试验结果进行对比。结果表明：新建模型的预测结果与试验结果吻合较好，其预测效果优于现有模型。基于本征损伤耗散理论的疲劳寿命预测方法为金属材料疲劳寿命的预测提供了新思路。

储罐在偶发爆炸载荷作用下易发生结构破坏，致使罐内储液流出，从而造成巨大的经济损失，但采用弱顶设计的储罐在此类事故发生时能减少损失。为此，以立式拱顶储罐为研究对象，综合考虑储罐破坏过程中内部压力、应力以及裂纹扩展等因素，建立了基于多判别条件的储罐内爆弱顶性能评价方法。同时，通过数值模拟手段，采用CEL（coupled Euler-Lagrange, 耦合欧拉-拉格朗日）流固耦合算法建立了储罐内爆三维有限元模型，对内爆载荷作用下储罐的破坏过程及不同影响因素下储罐的弱顶性能开展研究。计算结果表明：在基于压力和应力的弱顶性能评价中，储罐在90°，135°，180°位置处的峰值压力比大于1，满足弱顶要求；在基于结构断裂的弱顶性能评价中，由于裂纹延伸到液位以下，2条裂纹分别穿过液位1.99 m和5.21 m，储罐不具备弱顶性能。随着储罐容积的增加、液位的升高，储罐的弱顶性能增强。根据计算所得结果，采取在液位以上设置防护圈的方法对储罐进行优化，使得非弱顶储罐满足弱顶结构设计要求。所建立的储罐弱顶性能评价条件可为储罐的弱顶设计及分析提供参考。

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足，导致其地形适应能力不强，运动柔顺性能不高。为此，开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验，基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析，提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则；基于低惯量单足结构设计，通过优化机器人机体布局，提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构；基于六足机器人直行和转向运动步态，规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹，提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明，六足机器人结构设计合理，能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

针对遥操作机器人在深海等未知环境中抓取软体物体或易碎物体的工作需求，提出了一种人机交互遥操作机器人的主从软体手位置跟踪方法。首先，介绍了主从软体手控制系统的构成与工作原理，该系统主要包括主端控制回路、通信链路和从端控制回路，用于控制软体手的抓取动作。然后，阐述了软体手指的建模过程与控制器设计，采用假设模态法进行建模，并在软体手指的位置跟踪控制中引入模型预测控制算法，以解决软体从手跟踪软体主手性能差的问题。最后，设计并研制了软体主手、软体从手及其控制系统，其中软体从手以硅胶为原料并嵌入固体材料来增大刚度，同时开展了软体从手跟踪软体主手抓握目标物体的实验。仿真结果表明，所设计的模型预测控制器能有效解决软体手指因模型失配而引起的控制精度下降问题；实验结果表明，所研制的软体从手能有效跟踪软体主手并实现目标物体的抓握，整个控制系统运行良好。研究结果为人机交互遥操作机器人软体手的跟踪控制应用提供了参考。

电驱可控震源复杂的工况环境对驱动电机的性能提出了较高的要求。针对可控震源在行驶和激振工况下的动力需求，开展了驱动电机动力参数匹配设计，确定了驱动电机的主要设计参数；建立了驱动电机的二维有限元模型，采用子域法研究了电机在空载、额定工况下的磁通密度特性和谐波幅值，分析了电机磁通谐波畸变规律；开展了电机气隙长度优化设计以及电机转子结构的正交优化试验，得到了转子最优结构参数，并研制了电机样机。结果表明：在电机隔磁桥、永磁体与转子边缘之间区域的磁通密度波形畸变严重；永磁体与转子边缘之间区域的高次谐波对电机的影响较大，其3次谐波在基波中的占比高达83%；优化后电机效率可达96.8%。研究结果为电驱可控震源的优化提供了参考。

为了实现雾化辅助CVD（chemical vapor deposition，化学气相沉积）腔体的可定制性、可复用性及经济性，并满足高质量单晶氧化镓（Ga₂O₃）薄膜制备的实际需求，设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga₂O₃薄膜制备实验，对Ga₂O₃薄膜进行了X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱分析，并采用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）观察其表面形貌。实验结果表明：采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃薄膜；采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga₂O₃薄膜的（006）晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°，表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 nm，可见采用新型腔体制备的α-Ga₂O₃具有更优的结晶度、表面平整性和致密度。通过新型腔体的设计，构建了更有利于单晶Ga₂O₃薄膜生长的稳定环境，为Ga₂O₃薄膜制备工艺的优化提供了可靠路径。研究结果为制备高品质金属氧化物半导体薄膜提供了参考。

为了提升并联机器人适应多重复杂地形环境的能力，通过结合可重构并联机器人与多运动模式移动机器人的优势，提出了一种可变向多地形移动全R副并联机器人。以平面单环4R机构为本体，基于相邻运动副的空间轴线关系构造具有三方向转动能力的闭链机构，并以此为本体，基于正交的空间几何关系，将2个全R副单闭链组成一个可通过几何变形和自重构的方式实现多种滚动模式的全向移动并联机构。然后，对所设计的并联机器人进行自由度理论分析验证、步态规划仿真及运动控制设计。最后，制作机器人样机，通过实验来验证机器人设计方案及其运动模式的可行性。结果表明，使用几何变形和自重构的方式可提升并联机器人适应多重复杂地形环境的能力。研究结果可为多模式并联移动机器人的设计提供新思路。

精密机床直线进给系统的误差均化现象是机床精度设计中的重点关注问题。以精密卧式加工中心中典型的双导轨四滑块直线进给系统为研究对象，重点研究滚动导轨副几何误差与工作台运动误差之间的均化机理。首先，利用基于传递函数的等效刚度法，建立了导轨几何误差与工作台运动误差之间的映射关系，并以法向直线度误差为例揭示了误差均化机理。然后，建立了双导轨四滑块直线进给系统有限元模型，分析了导轨几何误差与工作台运动误差的均化系数。最后，开展了误差均化机理分析实验，通过测量导轨几何误差和工作台运动误差并计算误差均化系数，验证了理论分析与仿真分析的正确性。研究结果为机床的精度设计提供了理论依据。

针对岩石破碎过程的复杂性以及传统仿真模型的局限性——反映替换颗粒群信息少且无法定位替换颗粒群中某一颗粒，使得所模拟的颗粒无法被连续破碎，导致仿真精度较低等问题，提出了通过离散元应用编程接口开发的改进破碎模型——多次替换的颗粒黏结模型（bonded particle model, BPM）。该方法能实现颗粒在破碎过程中的多次连续替换，更加贴近实际破碎过程，可提升仿真精度。基于对辊破碎机的三维模型与参数标定后的钨矿石颗粒群，对破碎机内的钨矿石颗粒群进行层压破碎可视化仿真分析，并结合室内试验研究了对辊破碎机的层压破碎特性，以验证数值仿真的有效性。结果表明：通过仿真得到的钨矿石颗粒受力与破碎速率的关系说明对辊破碎机可实现层压破碎；钨矿石碎后粒径分布误差为0.889~1.940 mm，且碎后粒径分布满足正态分布，说明仿真分析准确且有效。不同粒径配比下的钨矿石层压破碎试验结果表明，颗粒间相互作用力对破碎效率的影响程度大于颗粒低孔隙率。研究结果为进一步提高对辊破碎机的生产效率提供了依据，且所提出的改进破碎模型为物料的破碎研究提供了一种新方法。

空气静压轴承具有精度高、摩擦小和寿命长的特点，被广泛应用于航空航天等领域。不同空气静压轴承气膜的承载面积和厚度的差距悬殊，导致气膜内部的流场极为复杂，传统的基于层流假设的N-S（Navier-Stokes）方程已无法精确预测该轴承的工作特性。为此，以圆盘形中心供气小孔节流空气静压轴承为研究对象，基于气体润滑和湍流理论建立其气膜流场数学模型，分析了气膜流场内湍流斑形成涡旋后的发展运动以及向平滑层流过渡的过程。在相同工况下，针对气膜厚度较小（<10 μm）时的特征流场采用k-?模型，针对气膜厚度中等（10~20 μm）时的特征流场采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）模型，针对气膜厚度较大（20~30 μm）时的特征流场采用“k-?模型+层流模型”。然后，设计并搭建空气静压轴承静态特性测试实验台，以验证所采用计算模型的准确性。结果表明：根据不同工况选择适宜的计算模型，可提高空气静压轴承气膜流场的计算精度。当气膜厚度小于10 μm时，气腔内湍动程度较大，宜采用k-?模型进行描述；当气膜厚度增大到10~20 μm时，气腔内大涡旋以一定速度沿半径方向扩散并输运能量，宜采用LES模型进行描述；当气膜厚度增大至20~30 μm时，气膜的容性效应增强，使得气腔内后半部分呈现层流特征，宜采用混合计算模型进行描述。研究结果为不同工况下空气静压轴承的设计提供了参考数据，准确选择计算模型有利于缩短研发周期。

密封面磨损对V形组合密封圈的密封性能有显著影响。建立了V形组合密封圈的有限元模型，基于V形圈接触压力大的地方磨损较快且磨损较大的区域向空气侧移动的特点，在有限元仿真计算中通过修改V形圈的轮廓来表示V形组合密封圈不同的磨损状态，进而研究密封圈在不同磨损状态下的接触压力分布情况。考虑到V形组合密封圈变形与润滑油膜之间的耦合作用，基于弹性流体动压润滑理论，建立了V形组合密封圈弹流润滑数学模型。基于小变形理论，通过变形影响系数矩阵法得到V形组合密封圈在高压作用下的弹性变形，通过有限差分法求解了密封圈在工作过程中的油膜压力分布和厚度分布，分析了密封面磨损和粗糙度对组合密封圈润滑性能的影响。搭建了V形组合密封圈性能实验台，得到了在轻度和中度磨损状态下密封圈在不同电机转速下的摩擦扭矩和泄漏率，并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明：随着磨损加剧，靠近润滑油一侧油膜的压力和厚度增大；对于已经发生磨损的密封圈，粗糙度的提高会使其油膜压力增大；转速提高会使密封圈所受的摩擦扭矩和泄漏率增大。研究结果为提高V形组合密封圈的性能提供了参考。

运行时速超过350 km的高速列车在高速阶段辅助制动或紧急制动时，风阻制动是一种行之有效的制动措施。研制综合气动性能优越及适用性广的风阻制动装置是下一代时速400+ km高速列车开发中亟待解决的关键技术问题之一。在总结分析现有技术的可行性和实用性的基础上，提出了新型风阻制动装置的设计理念和方法，重点从满足多级协同制动、优化气动性能、降低气动噪声及减弱结构振动等方面考虑开发实施，完成了窗形风阻制动装置及其改进型设计方案。结果表明：通过前后设置的沿安装基座前后边缘转动开启的2排风阻制动板进行多模式选择制动，有效克服了传统风阻制动板从前往后开启所造成的气动噪声剧烈、颤振及后排风阻制动板制动效率低等问题；同时，采用自馈补偿和板型导流两种制动补偿方式对风阻制动装置的二次空气动力学性能进行优化设计，进一步改善了装置制动工作时的外围流场结构，最大程度避免了非制动状态下附加气动阻力的形成；针对风阻制动装置的传动控制，创新性地设计了电路模拟控制和液压驱动控制方案。以运行时速为400 km的CR400AF平台动车组单节车辆装配单组改进型窗形风阻制动装置为计算模型，模拟得到装置在紧急制动时贡献的气动阻力为4.70 kN，产生的气动升力为1.13 kN，具备较好的高速阶段增阻特性。窗形风阻制动装置及其改进型设计方案在制动效率、风阻制动板利用率、空气动力学性能及气动噪声等方面表现出较强的优势。未来高速列车风阻制动装置的设计及应用需进一步从线路条件、运行风环境、瞬时启停性能、电控系统、结构振动及强度设计等方面开展实验研究。

为解决自建激光并行加工实验平台因设备安装位置隐蔽、难以加装辅助装置等而造成实验操作不便、设备运行状态监测困难和交互性差的问题，以实验平台中单个光学位移台为例，利用Unity引擎设计了一种基于数字孪生技术的交互控制系统。该交互控制系统采用MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）通信协议，利用服务器中转数据的方式完成跨软件间的信息交互。光学位移台的Kinesis控制软件和Unity引擎中的虚拟控制面板作为MQTT通信中的客户端，共同承担订阅者和发布者的角色。光学位移台的数字孪生模型根据数据信息对物理实体的运动状态进行实时映射，用户通过Kinesis控制软件或虚拟控制面板完成对物理实体和数字孪生模型的同步交互控制。采取引用.dll文件对Kinesis控制软件进行二次开发，调用Kinesis控制软件运动控制类的方法完成对光学位移台的运动控制，并将运动数据变量设置为高精度的float型和decimal型，确保数据精度不丢失。选取10组实际加工数据对交互控制系统运行的延时性、同步性进行测试。结果显示，Kinesis控制软件端数据发布耗时和Unity引擎端数据订阅耗时分别控制在20 ms和10 ms内。所设计的系统能够较好地保证数字孪生模型与物理实体间同步控制的一致性、动作映射的实时性，实现了光学位移台运动状态的可视化监测功能。此外，设置的运动数据类型可满足微米级的信息传递，保证了光学位移台使用时的精度要求；同时虚拟控制面板各功能正常运行，提升了光学位移台控制的便利性。

柔性驱动器因其固有的柔顺特性，能够实现机器人与人之间的安全交互，且具有较强的环境适应能力。为满足外骨骼机器人对关节柔性及变刚度特性的要求，设计了一种具有可重构性的变刚度柔性驱动器，可通过改变弹性元件的几何参数、材料和数量来实现重构，通过径向调节预紧力来实现可调范围内的变刚度。首先，运用零长度机架四杆机构的传动原理，建立了变刚度柔性驱动器的刚度数学模型，分析了柔性分支数和弹性元件刚度、预紧力对驱动器输出扭矩和刚度的影响规律。然后，建立了驱动器的ADAMS虚拟样机模型，并开展静力学性能仿真分析，验证了刚度数学模型的正确性。最后，建立了驱动器的动力学模型，通过Laplace变换得到了动力学系统的传递函数。频率特性分析结果表明，该柔性驱动器的稳定性良好。所设计的柔性驱动器体积小且质量小，能够在可穿戴外骨骼机器人驱动机构中应用。研究结果为机器人柔性驱动关节的设计提供了理论和技术参考。