目前生物打印机依赖电子显微镜观测打印结果，并通过三点画圆法计算面积评价产物均一性，耗时久、主观性强、与真实情况差异大. 为此，提出基于改进YOLOv8-Seg模型的打印产物轮廓识别. 使用Adam作为优化器并调节原YOLOv8-Seg模型的训练参数，确保模型对打印产物识别的置信度水平大多高于0.94. 训练得到的mAP50达到99.5%，mAP50?90达到98.4%. 采集数据图片中事先放置的500 μm的标度尺，实现对所识别轮廓面积的直接计算，同时结合识别轮廓与圆形相似度的算法，优化打印产物均一性的评估指标. 优化后的算法所识别的轮廓与真实轮廓的差异性小于0.25%. 对不同方法所获得的打印结果的轮廓面积进行变异系数CV处理与圆度分析，结果表明，当CV小于20%，圆度大于0.65时，可认为打印产物均一性良好.
复合材料螺旋桨叶的变曲率、变厚度和叠层特征会导致预浸料赋形过程中存在几何误差. 为了明确叶片曲率与铺层应变对赋形几何误差的影响规律，通过对桨叶铺层进行三维扫描获取点云数据，建立桨叶模具预浸料铺放过程的数值模型，对预浸料铺放过程进行有限元模拟. 通过对比铺层应变试验和仿真结果验证所提出的铺放仿真模型的有效性. 提出基于法向量方向变形误差累积的评价方法，对铺层试验和仿真结果进行层间误差提取，并结合叶片曲率特征分析桨叶赋形误差. 结果表明，仿真与试验的赋形几何误差的横向偏差约为10.18%、纵向偏差约为14.22%. 桨叶赋形几何误差分布形式与其铺放过程应变分布规律一致，曲率的波动性对赋形几何误差的影响大于曲率自身差异性的影响. 赋形几何误差分布随铺层数量增加趋于V型特征，且受曲率波动性的影响越来越明显.
为了高效采集超声设备中的振动能量并将其转换为电能，提出基于压电与电磁复合效应的超声振动能量采集方法. 针对超声振动幅值小、加速度大的特点，在超声设备中集成设计基于正压电效应的环状压电振动能量采集器，直接采集并转换设备运行中的微幅超声振动能量；针对超声振动幅值小、频率高的特点，设计将微观的超声振动转变为宏观的大幅旋转运动的转换机构，基于电磁感应机理在超声设备中进一步集成设计旋转运动能量采集器，实现超声振动能量的微观/宏观转换与采集. 基于压电效应和电磁感应原理建立压电/电磁复合超声振动能量采集与转换模型，通过仿真分析模型参数对超声振动能量采集性能的影响，通过实验验证了模型的准确性. 研究结果表明，在频率为38.2 kHz、幅值为1.88 μm的超声激励下，复合采集器的输出电压为46.7 V，压电和电磁能量采集器的输出功率分别为104.3、43.8 mW，输出功率满足低功耗电子器件的供电需求.
针对在聚二甲基硅氧烷(PDMS) 3D打印的前驱体中加入的特定添加剂的缺陷以及PDMS固化时间长的问题，提出基于热场辅助的PDMS原位固化打印新方法，设计搭建原位固化3D打印平台. 通过正交试验获取打印成型平台面与成型面丝材的最优工艺参数组合，基于最优工艺参数组合打印了倾斜结构、仿生结构及Y型气管支架3种典型复杂结构，实现了在打印平台内PDMS制件的原位快速固化成型. 该方法拓展了PDMS及同类热固性材料在复杂结构件打印中的适用性.
针对工业机器人制造企业工业机器人出厂检测场景关节伺服参数异常检测问题和不添加传感器、高准确率和实时性的需求，提出基于经验小波变换(EWT)和长短时记忆网络(LSTM)的检测方法. 构建工业机器人可编程逻辑控制器-智能终端-云服务器一体化关节实时数据采集平台，无须额外添加传感器即可实现关节电流和速度信号的实时采集、存储和传输，在云端进行状态监测和异常检测. 利用EWT分解电流信号以获得特征分量，将光滑的特征分量作为LSTM模型的输入，提高了预测准确性. 针对机器人运动周期中实时信号周期不完整的问题，采用卷积神经网络和注意力机制优化的双向LSTM模型预测补全完整的周期信号，与标准信号特征分量进行差异度量，实现实时异常检测. 采用1组标准伺服参数和24组异常伺服参数进行故障注入实验，验证了利用该方法能够定位异常关节，与注入异常程度有较好的一致性，检测准确率超过90%.
针对煤矿恶劣环境下视觉检测算法鲁棒性不足的难题，提出面向煤矿综掘工作面复杂环境的视觉感知系统. 该系统采用ELAN-DS特征提取模块、SimAM注意力模块与解耦检测头对YOLOv7-tiny算法进行优化，构建煤矿综掘工作面视觉检测网络(CMCE-Net). 将CMCE-Net迁移部署到视觉感知终端平台内，测试CMCE-Net在煤矿实际作业工况下的检测性能，基于煤矿综掘工作面数据集开展验证实验. 实验结果表明，CMCE-Net的检测精度达到89.5%，相较于YOLOv7-tiny算法提升了5.2%. 与Faster RCNN、YOLOv7-tiny、YOLOv8s等8种算法相比，综合检测性能最佳，模型复杂度处于较低水平. 在视觉感知终端平台内，CMCE-Net对测试视频的检测速度最高达到33.4 帧/s，在人机多目标混杂工况下，CMCE-Net对装备与人员的检测精度均大于90.0%.
针对双盘式磁力耦合器的调隙机构普遍存在的体积大、调节精度低的问题，提出新型的电磁混合式磁力耦合器，通过电磁驱动可以实现磁力耦合器的精准调隙. 以平均推力和推力波动为目标，对核心构件电磁调隙装置进行多目标优化. 基于敏感度分析对设计参数进行分级优化，提出蜣螂优化算法优化BP神经网络模型(DBO-BP)和多目标金豺优化算法(MOGJO)，结合响应面法和扫描法，确定电磁调隙装置的最优参数. 基于有限元法对推力波形、感应电动势、磁感应强度及磁场线分布进行分析，优化后径向气隙磁感应强度提升了19%，平均推力提升了57.8%，推力波动比值降低了28.3%，验证了最终设计相对于最初设计的优异性能以及新型磁力耦合器多目标参数分级优化的正确性.
针对传统稀疏表示算法在齿轮箱信号干扰较多的情况下最优原子寻优效果不佳的问题，开发基于非对称高斯啁啾模型的改进原子寻优方法，以实现在低信噪比环境中获得更佳性能的目标. 利用具有多参数形状多变的非对称高斯啁啾模型，构建小波原子. 利用构建的小波原子，通过脉冲特征增强方法得到原始振动信号的特征增强信号. 通过最大化高斯条件下的循环平稳性检验指标，寻找与故障脉冲最匹配的小波原子参数，通过多重增强稀疏表示算法分离出故障瞬态分量. 通过公开数据集与故障模拟实验中齿轮箱故障数据集，验证了本文方法的有效性，并与原始方法和其他方法进行对比，证明了本文方法能够在齿轮箱信号存在较多干扰的情况下构建较优的稀疏表示原子.
针对往复密封研究中平面应变模型与轴对称模型计算结果差异不明的问题，研究2种模型的宏微观密封特性. 通过数值迭代计算的方法，求解往复作动中密封界面的流体域模型、微观接触模型和变形方程，在宏观零拉伸率的条件下，详细对比2种建模方法的接触压力、油膜压力和摩擦泄漏等密封特性的计算结果差异. 研究结果表明，2种模型的计算结果趋势相同，计算所得的泄漏量较接近，但利用平面应变模型计算得到的静态接触压力、油膜压力、摩擦力均小于轴对称模型，原因是平面应变模型未考虑压缩过程中的负拉伸效应.
为了明确斜齿结构对泵瞬时几何流量特性的影响规律，以某型渐开线外啮合航空燃油斜齿轮泵为研究对象，对瞬时几何流量的计算方法进行探究. 将泵的密封排油容腔看成由轴向多层切片堆叠而成，每一层切片端面的轴向投影为分段光滑曲线构成的单连通域，基于齿廓参数化建模方法建立各层投影面几何域边界分段曲线的数学模型. 利用格林公式计算得到各层几何域的面积和各层切片的体积，沿轴向叠加求和得到排油容腔总体积，更新齿轮转角，可得排油容腔的体积变化量和齿轮泵的瞬时几何流量特性. 经案例计算表明，与端面渐开线参数相同的直齿轮泵相比，当吸排油可靠隔离设有卸荷槽结构及有侧隙啮合时，齿宽一定，斜齿轮螺旋角越大，泵的平均输出流量变小，流量脉动率略有增大；螺旋角不变，齿宽越大，泵的平均输出流量越大，流量脉动率略有增大；当排油侧无卸荷槽时，增大螺旋角和齿宽可以降低流量脉动.
为了探明滚子随位置变化的局域打滑特性，厘清内部滚动体局域打滑机理，构建综合考虑各部件相互作用的完全动力学模型，以揭示轴承打滑现象的产生机制及作用机理，并探究径向载荷和主轴转速2种工况参数对轴承打滑特性的影响. 研究发现，轴承内部滚子打滑呈现周期性波动，打滑率的波动范围随径向载荷的增大而增大，随轴承转速的增大而减小；滚子在跨区运动过程中（由非承载区进入承载区）存在打滑率突增现象，此时，滚子与保持架兜孔发生剧烈碰撞，造成滚子的局域运动稳定性下降. 对于中低速工况下运行的圆柱滚子轴承，应优先选用滚子打滑率作为打滑评价指标；对于高速工况下运行的圆柱滚子轴承，应优先选用保持架打滑率作为评价指标.
管片拼装机载荷大、滞后大、摩擦扰动大，为了提高管片自动拼装的精度和效率，通过对模型精确辨识和iPIDD2算法实现在摩擦扰动下液压平移系统的精确控制. 在理论模型基础上，提出多算法融合信号降噪方法对输出信号进行预处理，并采用带遗忘因子的偏差补偿递推最小二乘辨识算法，以获得更精确的液压系统模型. 针对摩擦扰动下拼装机平移运动的精确控制，提出iPIDD2控制算法实现平移油缸的精确控制. 通过AMESim-Simulink联合仿真和搭建电液伺服系统实验台及实时控制系统验证研究结果. 在不同的负载工况下进行全尺寸实验验证，结果表明，所提方法的位移跟踪稳态误差小于3 mm，与PID相比最大跟踪误差减小77.6%，迟滞时间减少超过10 s. 在参数不确定和摩擦扰动下具有更好的精确控制性能和更小的迟滞时间，所提算法对提高摩擦扰动下自动管片拼装的拼装精度和效率具有积极意义.
为了提高人体工学产品的设计效率和舒适度，提出基于邻域拓扑重建(NTR)的人体工学产品定制设计方法. 通过结合医学图像邻域拓扑关系进行三维重建，克服传统移动立方体算法的二义性问题，同时避免移动四面体的高耗时问题. 基于医学CT图像进行三维重建，得到具有个性化定制信息的复杂曲面构件原始形状，为人体工学产品定制设计提供数据支持. 引入深度残差网络，利用神经网络分层提取模型层切面的多尺度特征，分层建立增材制造成本消耗与多尺度特征之间的非线性隐式关系，实现复杂概念设计原型的材料消耗预测与成本优化. 根据流形原始形状和基于Laplace-Gauss曲线的变形算法获取手部按握姿态，根据姿态对普通鼠标进行方案演化，对人体工学鼠标进行概念设计. 通过物理实验观察到的微观形貌表征了原型产品的高精度特征，预测能耗变化与实际能耗相近. 实验结果证明，邻域拓扑重建和变形算法相结合可以为人体工学产品定制设计提供数据支持和实物参考，提高人体工学产品的舒适度.
在高放射性环境中，传感器部署受限，传动链噪声干扰，冷挤压切割刀具一致性差. 为此提出基于外置电机旋转轴与进给轴电机扭矩信号的时频域统计、主成分分析（PCA）与自联想神经网络（AANN）相结合的刀具状态监测模型. 基于旋转电机及进给电机扭矩波形提取时域统计特征及小波包能量特征形成原始训练集，利用原始训练集初步训练AANN模型，使用PCA重构原始训练集用于优化AANN模型局部结构参数，形成PCA-AANN刀具状态监测模型. 基于实际样机的切割试验采集扭矩数据，对提出的PCA-AANN和现有AANN模型进行分析对比，结果表明PCA的引入有助于提高AANN模型鲁棒性，能有效降低刀具工作状态误报率，实现放射性环境下刀具状态的准确监测. 所提方法为放射性环境中类似长传动链设备的状态监测提供了借鉴.
基于切削温度模拟与单点飞切试验研究碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的力热变化规律及其去除特性，分析不同纤维角度和切削温度下CFRTP去除过程和损伤特点. 采用单点飞切试验开展CFRTP表面损伤特性研究，通过改变工艺参数、纤维方向和材料加热温度，分析切削力热的变化趋势以及温度对材料去除的影响. 当飞切速度从3 m/s增大到7 m/s时，切向力和法向力分别增大130.60%和147.80%；当飞切深度从0.05 mm增加到0.10 mm时，切向力和法向力分别增大72.44%和58.13%；当纤维角度从0°增大到30°、45°、60°、90°时，切向力分别增大12.50%、37.50%、75.00%、137.50%. CFRTP在20.0 ℃下以剪切破坏为主，在高温下以拉伸破坏为主且易出现分层和纤维拉拔现象. 随切削温度升高，热塑性树脂软化，CFRTP层间强度和承载性能降低，切削力下降，有效切断的纤维数量降低，加工表面质量变差.
结合多体系统动力学和模糊可靠性理论，分析球铰在机构中的服役寿命. 为了准确预测满足机构精度要求下的寿命，构建基于精度要求的球铰磨损寿命模型和评估方法. 提出机构精度特性的量化指标，分析含间隙球铰的多体动力学，建立球铰磨损间隙与机构精度指标之间的函数关系，并根据机构精度要求确定球铰最大允许磨损间隙. 针对磨损间隙具有随机性和模糊性的双重不确定性，由球铰的最大允许间隙得到最大允许磨损量，进一步考虑固体润滑工况，构建固体润滑球铰的模糊可靠性寿命模型. 以3-RPS并联机构为例，计及所有球铰的影响，通过设定机构精度阈值，分别预测大气和真空环境下固体润滑球铰的磨损寿命. 基于精度的寿命评估新方法能够根据机构精度要求预测球铰使用年限，提高机构在服役期间的安全性，为建全磨损寿命评价方法体系提供理论依据.
丘陵地区果园植保无人机作业时人工操控难度大，自动作业缺少三维路径规划，为此提出山地果园植保无人机全覆盖三维作业路径规划方法. 利用实景三维模型获取作业区域三维坐标，基于往复牛耕法和丘陵果园实景三维模型，进行植保无人机全覆盖三维路径规划. 考虑植保无人机运动状况及自身载重变化，构建植保无人机能量消耗模型，进而对作业航向角（1°~180°）进行寻优，获得最小能耗的作业路径. 田间试验表明，最小能耗的作业路径（航向角为91°）相比于最大能耗的作业路径（航向角为147°）降低了完成植保作业所需总能耗（能耗降低率为20.88%），缩短了完成植保作业所需时间（时间降低率为16.31%），且作业区域内各采样点的冠层雾滴沉积量波动较小，在优化能耗、提高作业效率的同时实现了对作业区域的全覆盖植保作业.
针对移动作业中的腿足机器人，结合数字孪生技术，设计整机系统的体系结构、模块结构、硬件框架和软件框架，通过集成多个传感器输入和数据源，可在移动场景下获得可靠准确的环境状态和机器人状态. 基于点线特征匹配理论，优化腿足机器人的自主定位精度和鲁棒性，结合环境建模数据实现高效里程计和实时移动建图. 提出建立数字孪生模型的通用方法，并通过误差补偿保证机器人数字孪生体的运动状态与实际机器人的运动状态高度一致. 在数据集和真实机器人上进行实验，结果表明所提出的数字孪生系统不仅能够在不同的腿足机器人平台上稳定高效运行，而且能够保证实时状态反馈和里程计定位精度. 与ORB-SLAM3相比，内存开销降低约68.7%，CPU使用率降低约17.8%. 硬件实验表明，通信延迟与网络延迟基本一致，约为30 ms，有助于提高任务执行效率.
针对氢燃料电池汽车车载空压机的轴承-转子系统，提出兼具静压和动压特性的三楔式气体轴承. 开展轴承动静压耦合作用机制和流场特性、动静态参数研究，并与传统的圆柱气体轴承进行对比. 为了计算轴承的流场特性，在Fluent软件的用户自定义函数（UDF）中编写动网格程序，并提出相应的计算流体力学 （CFD）瞬态模拟方法来求解轴颈任意偏心位置时的轴承非线性气膜力与动态参数. 研究表明，在运行工况变化时，三楔气体轴承动静压效应的强度会不断变化，但始终能通过耦合效应为转子提供有效、稳定的支承. 在低转速范围内，静压效应是影响三楔气体轴承性能的主要因素，表现出与圆柱气体轴承相似的支承效果，保证车载压缩机在启停或升速过程中的稳定运转. 当转速增大时，三楔气体轴承的动压效应显著增强，能在更低的供气压力下为高速旋转的车载压缩机提供支承. 相较于需要外接气源的圆柱气体轴承，三楔气体轴承能在仅利用氢燃料电池汽车供气系统内部气路的情况下为转子提供稳定的支承，适应车载空压机中气体压力有限且须频繁启停、变速的工作环境.
为了研究缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性，基于轮轨滚动行为(WRRB)模拟试验台参数，利用ANSYS/LS-DYNA建立瞬态滚动接触有限元模型，集成弹性蠕滑率求解程序和Tγ磨耗模型，通过试验验证模型的正确性. 重点分析轮轨力、蠕滑率、接触应力和钢轨磨耗深度，并考虑车轮驱动扭矩和速度的影响规律. 结果表明：缩尺车轮-环轨结构的高频弹性振动造成轮轨垂向力波动；在比例载荷作用下，纵向动力学行为和钢轨磨耗深度变化趋势与服役轮轨一致；由于环轨的极小曲线半径，自由滚动工况下的横向蠕滑力/率、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度偏大，切向接触应力峰值出现在接触斑后沿两侧；车轮驱动扭矩和速度的影响规律可拟合为一组经验公式. 研究可以为此类试验台的设计与应用工作提供理论依据.
传统卷积神经网络(CNN)在识别故障类型时存在从原始振动信号中提取特征不足以及提取特征过程中需要更大的感受野以充分捕获信号的时间相关性的局限. 针对轴承振动信号固有的多尺度特征，提出基于空洞卷积和增强型多尺度自适应特征融合的模型(DC-MAFFM). 利用空洞卷积的大感受野提取信号特征，同时引入残差连接来减少卷积层上的信息损失，从而有效过滤信号中的噪声；设计改进的多尺度特征提取模块，在不同尺度上捕获互补的诊断特征，同时在各层都进行不同尺度特征融合，充分学习信号的高频和低频特征；利用提出的特征自适应融合模块对不同尺度的特征自适应赋予权重，增强判别特征学习的能力. 在2个轴承数据集上进行验证，结果表明所提模型在噪声和变工况下有较强的诊断能力. 在强噪声情况下，故障诊断准确率分别达到88.08%和75.56%，与其他方法相比有显著优势.
针对传统结构响应重构中正则化方法对冲击载荷峰值识别精度低、非加载区识别结果振荡且识别精度易受噪声干扰等问题，提出基于修正-联合正则化的冲击载荷识别与结构响应重构方法. 基于状态空间模型，推导冲击载荷及结构响应的重构方程. 对测量响应降噪，利用降噪后响应与识别响应的差值修正L2正则化解. 联合L1正则化解的稀疏性优势，在保证冲击载荷非加载区域识别稳定的同时，获得更高精度的峰值识别结果，实现结构动态响应的重构. 通过数值和实验案例验证了所提方法的有效性，对比了传递矩阵法和粒子滤波法的响应重构效果. 结果表明，所提方法具有良好的抗噪性，能够较准确地识别冲击载荷，有效地重构结构动态响应.
为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论，基于有限体积方法，采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究，采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析. 结果表明：相较于平板，驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳，减小了约13.7%；微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着，抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象，湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz. 利用POD方法，能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征，微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构，促进流场内湍流动能的均匀分布，抑制了拟序结构的发展，体现了驻留微气泡良好的减阻特性.
为了分析系泊工况下喷水推进器的内流特性，在系泊试验的基础上采用基于流体体积法（VOF）的计算方法，对喷水推进器的系泊工况内流场特性进行数值模拟研究. 对比系泊试验数据发现，基于该方法得到的推进器总推力和转矩与试验数据吻合较好，该方法可以较好地模拟喷水推进器自由喷射流场. 从喷水推进器数值模拟结果可知，当叶轮转速增加时，叶轮内部欧拉扬程的增长速度趋于恒定，叶轮的效率增加；叶轮内部熵增较高的区域主要分布在叶轮入口、壁面和叶顶附近，表示该区域流动损失较大，与系泊工况下喷水推进器的进口流道处存在较大程度的流动分离密切相关.
为了分析动车组齿轮箱的润滑机理，以某型螺旋锥齿轮传动齿轮箱为研究对象，运用移动粒子半隐式(MPS)法建立高精度的流场仿真模型. 引入薄膜流动模型，对无滑移壁面边界条件进行改进，使移动粒子半隐式法具有预测液膜流动特性的功能. 研究输入齿轮转速、初始润滑油量对箱体内壁和齿轮表面的润滑油覆盖率、油膜分布特性及功率损失的影响. 结果表明，箱体内壁面的润滑油覆盖率和液膜厚度主要受润滑油飞溅效应的影响，齿轮表面受到润滑油飞溅效应和自身运动的共同影响. 功率损失分析显示，功率损失与输入齿轮转速和初始润滑油油量均呈正相关关系，对高转速更敏感. 对箱体结构进行改进，消除箱体凸台，扩大与输出齿轮的距离，该措施可以显著改善齿轮箱的润滑条件.
