机械系统在服役过程中受到随机载荷、制造误差、安装误差等多源不确定性因素影响，导致系统响应常产生偏差，严重影响其运行稳定性与系统可靠性。在实际工程中，大规模、高质量采集复杂机械系统的数据非常困难，获取的数据样本量通常较小，难以通过概率模型描述其不确定性。此外，当机械系统在某些特定条件下运行时，数据可能集中在某些区域，呈现一定的聚类特征，导致该条件下机械系统的不确定性分析与度量存在挑战。为此，提出了一种基于聚类椭球模型的机械系统不确定性分析方法，来准确度量具有聚类特征系统参数的不确定性，实现系统响应不确定性的快速评估。为了准确量化具有聚类特性的小样本数据，采用聚类椭球模型对其进行不确定性建模；根据参数区间信息，开展机械系统敏感性分析，确定了影响机械系统性能的主要参数；结合聚类椭球模型和序列二次规划算法获取机械系统响应的上、下边界，实现了系统参数不确定性传播；通过3个数值算例和1个雷达系统工程算例验证了所提方法的准确性和有效性。研究结果表明，在处理小样本条件下机械系统性能不确定性问题时，超椭球聚类方法具有较高的计算效率和精度。

为实现3D打印混凝土球壳结构的无支撑建造，提出了一种基于自支撑临界角的结构拆分方法。该方法将结构拆分问题转化为单目标优化问题，并根据改进遗传算法和动态优化拆分策略，寻求得到较为简便、可行的球壳结构拆分方案。基于所获得的拆分方案，可将球壳结构拆分成若干个可自支撑打印的单元，对拆分单元逐一打印后完成整体结构的拼接。对于混凝土球壳结构而言，随着材料自支撑临界角的增大，拆分单元数量增加。为降低拆分单元数量过多对球壳结构后续连接及整体性能的不利影响，混凝土材料的自支撑临界角不宜过大。现场成形实验结果表明，基于所提出的方法可实现3D打印混凝土球壳结构的有效拆分，在打印过程中能够避免结构支模工作，提高了建造效率。

针对风力发电机叶片检测难度大及传统机器人检测效果不佳的问题，设计了一种基于足履式移动和复合式吸附的风机叶片检测机器人。首先，对机器人在叶片表面移动时的力学特性进行建模，计算其无滑移和倾覆时所需的吸附力，并根据计算结果进行设备元件的选型；其次，根据机器人结构特性，设计相应的控制系统，并对其在叶片表面的移动步态进行规划与分析；最后，通过实验验证了机器人设计方案的有效性。实验结果表明，该机器人具备灵活的移动能力和良好的吸附性能，能够满足风机叶片检测的实际需求。研究结果促进了机器人在风机叶片检测中的实际应用，还为相关领域自动化检查技术的进步和推广提供了参考。

针对传统爬壁机器人无法自适应风电塔筒变曲率壁面的问题，以轮式移动机构的快速稳定性和转弯灵活性为出发点，分析了轮式移动机构在变曲率壁面上运动时的姿态变化，并以此为基础设计了一种采用分体轮式移动和间隙式永磁吸附技术的新型爬壁机器人。首先，建立了多状态下的爬壁机器人运动模型，分析了机器人利用自身分体结构的姿态调整实现在变曲率壁面上移动时的自适应运动特性；然后，对爬壁机器人的磁吸附模块进行了优化，通过参数化分析得到了高吸附效率下的最优结构参数。实验结果表明，新型爬壁机器人结构设计合理，能够实现在变曲率壁面上的自适应可靠运动。所设计的爬壁机器人可为风电塔筒的维护作业提供高效、安全的解决方案，具有重要的工程应用价值。

以柔性材料为主体的软体爬壁机器人可通过被动变形或主动变形来改变自身形状，以适应复杂的壁面环境。但由于柔性材料的低刚度和滞后性，现有软体爬壁机器人普遍存在驱动力不足及运动稳定性差的问题，严重制约了其实际应用。针对该问题，基于Kresling折纸结构设计了一种可灵活爬行的气动爬壁机器人。该机器人由锚定模块和伸缩模块组成，锚定模块利用吸盘在负压状态下的吸附作用来实现在壁面上的锚定，伸缩模块采用以Kresling折纸结构和塑料薄膜封皮为主体的软连续体结构，可实现伸展和收缩。通过实验测得，所设计的机器人可在坡度为0°~90°的光滑壁面上实现速度为25~28 mm/s的稳定爬行，且对不同材质的壁面均具有良好的适应性。结果表明，基于Kresling折纸结构的气动爬壁机器人不仅能够在不同坡度、不同材质的壁面上双向爬行，还能基于伸缩模块的柔顺性在壁面上灵活转弯，这可为软体爬壁机器人的设计和优化提供新思路。

空间并联多稳态机构（spatial parallel multi-stable mechanism, SPMM）指在外力作用下能切换为不同稳定平衡状态的机构，是传统空间刚性并联机构与柔顺机构的结合，更稳定并能节约能量。采用刚体置换方法创新设计了具有8种稳态位形的六自由度3-PSPS SPMM，通过移动3个分支能实现机构8种稳态位形之间的切换。首先，分析了SPMM结构，对机构进行静力学分析，建立了能量-运动学微分方程来确定机构稳态，并采用MATLAB软件得到了机构运动过程的能量图；其次，利用基于Lagrange-Dirichlet原理的能量法，确定了机构的8种稳态位形，分析了运动过程中稳态位形之间的切换路径；最后，采用3D打印的SPMM模型，进行了实验验证。所研究的SPMM能实现稳态位形可控，能广泛应用于运动平台和缓冲机构的设计中。

为解决柔性精密定位平台位移放大倍数小、输出刚度低以及运动耦合位移过高的问题，提出了一种基于压电陶瓷驱动的二维精密定位平台。首先，利用模块法、弹性梁理论及柔度矩阵法对精密定位平台进行了静力学建模，并利用拉格朗日方程对其进行了动力学建模。然后，采用ANSYS Workbench软件对精密定位平台的位移放大倍数、输出刚度、耦合位移和固有频率进行了有限元仿真。最后，通过搭建精密定位平台实验装置来测试其性能参数，并与有限元仿真结果和理论计算结果进行了对比分析。仿真与实验结果验证了精密定位平台静力学模型及动力学模型的准确性，表明所设计的精密定位平台具有位移放大倍数大、输出刚度高及解耦性能强的优点。研究结果为柔性精密定位平台实现大行程位移输出和良好的解耦能力提供了一定的理论指导。

为提高机床的加工精度，在机床设计阶段即确定导轨误差的目标，并对导轨误差与工件误差之间的映射关系进行了研究。首先，基于赫兹接触理论，构建了滚动体变形与载荷间的协调关系以及考虑滑块结构刚度的导轨副静力平衡方程；在此基础上，构造了导轨副势能函数，通过势能分解建立了导轨副的等效刚度模型，并开展了有限元仿真验证。然后，基于滑块固定件有限元模型，构建了面向滑块位置节点的滑块固定件刚度矩阵，并基于最小势能原理，结合导轨副等效刚度模型建立了考虑滑块固定件结构刚度的多滑块系统中导轨与运动副间的误差映射关系，同样进行了有限元仿真验证。接着，基于多体系统理论建立了机床几何误差传递模型，得到了刀具的位姿误差。最后，借助几何运动学原理，开展工件三维离散点与刀具几何边界的布尔运算，构建了工件加工误差预测模型，从而建立了导轨误差与工件误差间的映射模型。以某型号机床为例，对比分析了导轨误差与转台误差对工件误差的影响，验证了所提出方法的可行性。研究结果可为机床的精度设计提供理论指导。

为了剖析采煤机摇臂壳体失效的根源、保障采煤机安全稳定运行，分析了采煤机摇臂壳体变形的影响因素，研究了壳体变形规律。首先，构建了摇臂壳体力学模型，梳理了影响摇臂壳体变形的载荷因素，其中包括采煤机截割时煤岩对滚筒产生的外部作用力及齿轮传动系统所形成的内部载荷；其次，采用Solidworks软件建立了摇臂三维模型，并基于EDEM-ADAMS软件搭建了采煤机截割含铝质岩、灰色岩、石灰岩和粉砾岩等4种夹矸煤岩的仰角工况模型，进行摇臂壳体变形仿真；最后，搭建了壳体变形测试平台，进行了采煤机截割粉砂夹矸煤岩的实验。仿真结果表明：滚筒牵引阻力的均值小于截割阻力均值，且两者均大于侧向受力均值；壳体承受外部载荷后，其变形呈现较复杂的态势，在摇臂壳体与滚筒行星减速器结合部位的变形较大，失稳风险较大；摇臂壳体在齿轮轴位置的变形呈现多波峰、非线性、近似正态分布。实验结果表明，距滚筒行星减速器越近，变形越大，这与仿真结果高度吻合。研究清晰地揭示了摇臂壳体在复杂载荷下的变形规律，为摇臂壳体的改进设计提供了强劲的理论支撑，有助于优化采煤机设计方案，降低壳体失效风险，有效提升采煤机在实际生产作业中的可靠性与稳定性。

食管狭窄是食管癌的主要症状之一，目前载药食管支架被广泛应用于食管狭窄的临床治疗。现阶段，载药食管支架的制备方法主要为浸涂法与喷涂法，但该类方法所制备的食管支架载药层的材料受限且覆膜精度不高。为解决上述问题，提出了一种基于压电喷墨打印技术的食管支架载药层制备方法。首先，运用有限元仿真法设计了压电喷墨打印平台的温控箱并优化了温控参数，以促进打印材料固化成形，拓宽载药层的使用材料。然后，深入探究了压电喷头驱动波形的电压幅值、斜率参数及脉冲宽度对液滴直径的影响，并优化了驱动波形参数，以提高载药层的覆膜精度。最后，开展载药层打印实验，以验证温控箱仿真设计与驱动波形参数优化的准确性与有效性。实验结果表明，GelMA（gelatin methacryloyl，甲基丙烯酰化明胶）水凝胶在-4~4 ℃时的成形效果良好；液滴直径与驱动波形的电压幅值和斜率参数均呈正相关，但存在最佳脉冲宽度。在确保打印精度的前提下，确定了上升沿电压幅值为30 V，上升沿斜率和下降沿斜率均为7 V/ms，脉冲宽度为1.5 ms，并利用该驱动波形成功打印了固化成形效果良好、精度高且均匀的食管支架载药层，这可为载药食管支架的制备提供新思路。

水动力旋转喷雾降尘装置具有仅需水动力驱动、雾化效果好等优点，在煤矿井下工作面得到广泛应用。为了实现安全、精准、高效降尘，基于动网格技术对其性能进行了系统分析。采用DesignModeler软件建立了降尘装置三维模型，采用动网格技术分析了水轴出口角度对水流出口速度和水轴转速的影响规律，并基于UDF（user-defined function，用户自定义函数）编程技术和VOF（volume of fluid method，流体体积法）模型，分析了降尘装置混合出口处的雾粒轴向速度和风流进口处的风流轴向速度随水轴出口角度的变化规律。结果表明：随着水轴出口角度的增大，水流最大出口速度从63.19 m/s减小到24.97 m/s，水轴转速逐步增大到1 786.4 r/min；雾粒最大轴向速度从39.178 m/s减小到10.637 m/s，后增大到12.854 m/s，最后减小到8.014 m/s，速度均匀性先增强后减弱；风流最大轴向速度从0.804 m/s增大到1.524 m/s，后减小到1.272 m/s，速度均匀性先基本不变后减弱；当水轴出口角度为45°时，降尘装置的雾化性能最佳。搭建了水轴转速和风流轴向速度测试平台，通过实验验证了仿真结果的正确性。将降尘装置进行了现场应用，结果表明，采用水动力旋转喷雾降尘装置后，转载机进料口区域总粉尘和呼吸性粉尘的降尘率有了明显提高，均达到了75%以上，其中工人作业处的呼吸性粉尘质量浓度降到6.31 mg/m³。研究结果为创建安全、健康、绿色的煤矿生产环境提供了新思路。

现有柔性铰链的缺口形状主要局限于圆锥曲线及其组合，且在应对复杂载荷和大角度运动时容易因应力过大而失效。为此，设计了一种新型的嵌套余弦函数型多轴柔性铰链。首先，基于有限梁柔度矩阵建模（finite beam compliance matrix modeling, FBMM）法构建了新型柔性铰链的柔度和精度模型，并与ANSYS Workbench软件的有限元仿真结果对比，发现柔度和精度的相对误差分别小于4.89%和4.97%，验证了理论模型的有效性。然后，讨论了结构参数对新型柔性铰链柔度、精度和柔度精度比的影响，并与椭圆型、圆弧型、正弦型多轴柔性铰链进行了比较。结果表明，所设计的柔性铰链具有柔度大、应力低的特点。最后，通过搭建柔性铰链实验平台来测试其变形情况，实测结果与理论结果的相对误差小于8%，进一步验证了柔度模型的有效性。嵌套余弦函数型多轴柔性铰链可为大行程柔顺精密定位平台的设计提供参考。

为解决川东沙溪庙组硬质砂岩地层PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头机械钻速低、磨损严重及钻井成本高的问题，对异形PDC齿在沙溪庙组硬质砂岩地层的破岩性能进行了综合研究。针对沙溪庙组砂岩地层高研磨性、硬塑性的特点，设计了斧形齿、圆弧曲面齿、斧形曲面齿和斜斧形齿等4种异形PDC齿，并建立了PDC齿切削与压入破岩结合的综合破岩比功评价方法。随后，利用破岩仿真模型，开展了异形PDC齿结构参数优化设计，并对优化后的异形PDC齿进行了破岩性能仿真分析。结果表明：齿刃角为130°的斧形齿和圆弧半径为25 mm的圆弧曲面齿的综合破岩比功最小。最终确定斧形曲面齿的圆弧半径为25 mm，齿刃角为130°，斜斧形齿的齿刃角为130°，倾斜角度为70°。4种异形PDC齿的综合破岩比功和齿刃温度均低于常规PDC齿，且综合破岩比功与磨损高度呈正相关。室内破岩试验结果表明，斧形齿与斧形曲面齿具有更优异的破岩性能。研究结果为沙溪庙组硬质砂岩地层的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。

横波可控震源振动器平板作为页岩气勘探中的关键部件，其疲劳寿命直接影响可控震源的使用寿命和勘探精度。然而，传统的振动器平板疲劳寿命优化方法未考虑平板与平板齿间焊接残余应力的影响，导致平板结构在抗疲劳优化设计方面效果不佳。为此，使用局部灵敏度法对平板疲劳寿命进行敏感性分析，确定了焊接残余应力为影响疲劳寿命的关键因素。随后，建立了平板的各向最大焊接残余应力与焊接速度和焊接层间温度之间的数学模型，并以各向最大焊接残余应力为约束，以疲劳寿命为优化目标，建立相应的优化模型。最后，利用NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，非支配排序遗传算法-Ⅱ）获取Pareto解集，并结合熵权法和TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution，逼近理想解排序）法确定最佳优化方案：焊接速度为10.23 mm/s，焊接层间温度为105 ℃。结果表明，优化后平板的疲劳寿命为10.23年，相比优化前提高了17.72%。研究结果可为横波可控震源振动器平板的疲劳寿命优化提供科学有效的理论方法和工程指导。