设计是关于工程方案的设想和策划。人类区别于动物的根本在于人能够进行创造性思维和设计制造工具，并且在劳动过程中设计运用并发展了复杂的语言文化和科技创新能力。设计伴随着人类社会文明的进步而发展进化，设计需要知识、材料、工具、计算、实验和制造，同时变革进化了设计理念与方法。每个阶段的设计都依托若干起核心作用的科学基础、关键核心技术和数学计算方法。创新设计永无止境，它伴随着人类社会的进步不断发展，其发展趋势和方向是确定无疑的，即数字化、网络化、绿色化、智能化可持续发展。设计创新是无限的，但地球资源却是有限的，因此设计师必须遵循科学发展规律，尊重自然、尊重伦理、尊重市场经济、尊重人类文明传承，坚持公平公正透明原则，恪守诚实守信的职业道德规范，坚持深化改革开放，积极吸收世界各国各民族创造的科技成果和先进设计理念和方法，创新发展“中国好设计”，引领和全面推进新时代现代化建设，为实现中华民族伟大复兴的中国梦不断作出新的贡献！

软体机器人以其良好的人机交互特性为肠道疾病的检测提供了新手段。然而，其需要大量线缆连接外部控制系统，检测时会给患者带来不适。由此，提出了一种仿蚯蚓无绳软体机器人。机器人装配有柔性压力传感器和无线微型摄像头，能够在类肠道环境中实现可控运动，同时可监测环境压力的变化，并通过视觉感知检测环境中的异物。机器人由前端径向运动执行器、中心轴向运动执行器和后端径向运动执行器构成，内部集成了小型控制电路板和4个微型气泵。通过蓝牙控制4个气泵的开启与关闭，来控制3个运动执行器的膨胀与收缩，使机器人自身产生变形，驱动其在类肠道环境中移动。通过实验可知，该机器人可在刚性管道和柔性管道中运动，运动速度达0.75 mm/min，且能实时监测环境内压力的变化。此外，采用Fast RCNN（faster region convolutional neural net，基于区域卷积网络的快速检测）算法对机器人采集的图像进行处理，能够精准识别类肠道环境中存在的异物。该无绳软体机器人具有良好的人机交互性，为肠道疾病检测提供了一种对患者友好的新方法。

针对换流站阀厅顶部复杂钢结构人工清扫过程中存在的作业效率低、安全风险高等问题，基于公理设计理论提出了一种以分体式多单元结构与抱臂机构为核心的清扫机器人，并通过样机实验验证了其可行性。首先，构建了机器人的功能—结构模型及对应的设计矩阵，利用独立公理确保功能需求的独立性，并结合信息公理优化了设计方案。该机器人的移动单元采用分体式三单元多抱臂结构，能够跨越钢结构上下方的障碍，并能通过转向实现在不同方向钢梁上的行走；清扫单元采用对称分布的三自由度清扫臂，可满足阀厅不同区域的清扫需求。然后，根据阀厅顶部钢结构的实际布局，设计了机器人适应特定场景的越障、转向运动姿态，并设计了完整的运动控制系统。接着，对机器人的关键部件进行了力学分析，同时对显著影响整机性能的部件进行了结构布局分析与拓扑优化，实现了结构的紧凑化与轻量化，进而提高了机器人的运行稳定性。最后，在阀厅顶部钢结构上开展了机器人样机实验。结果表明，该机器人能够稳定地在钢结构上完成越障、转向和清扫任务，其可跨越最大高度为712 mm的障碍，且清扫速度超过100 m²/h。所设计的机器人可有效提升换流站阀厅顶部钢结构的清扫效率与作业安全性，具备良好的工程适用性。

双稳态折纸结构具有快速变形、负刚度和可储能等特性，在解决实际工程问题方面具有广阔的应用前景。目前，双稳态折纸结构的构型设计与稳态特性调控多从折痕长度、相邻折痕夹角等尺寸参数入手，但部分折纸结构的稳态特性受尺寸参数的影响很小，且在实际应用中对整体结构的尺寸往往存在一定限制。为此，以三浦折纸结构为研究对象，基于势能方程分析了其折痕长度、相邻折痕夹角和初始折展角度等参数对势能壁垒的影响规律，发现初始折展角度对三浦折纸结构稳态特性的影响最大。随后，通过实验分析了折痕制成角度与预折叠角度等尺寸无关参数对初始折展角度的影响，并展示了不同折痕制成角度下三浦折纸结构失稳输出力、失稳时间等稳态特性的变化。最后，以基于三浦折纸结构的水上折纸机器人为例，在其尺寸参数不变的情况下，通过更改折痕制成角度使其游动速度提升了70%。研究结果为双稳态折纸结构的性能调控与实际应用提供了一种新思路。

为了降低大功率混合动力履带车辆传动系统驱动电机的功率需求，提出了基于转向功率回流特性的双侧电机耦合机构创新设计方法。以两行星排和三行星排构型为研究对象，建立了融合运动学与动力学约束的拓扑图论模型，将履带车辆直驶-转向协同工况下的功率回流特征转化为构型参数的数学判据；通过拓扑综合与参数化分析筛选出6种可行构型，结合转向再生功率传递条件进行多目标性能评估，发现两行星排构型在耦合机构效率和转向再生功率利用率方面表现最优；搭建了履带车辆机电耦合动力学仿真模型，进行了车辆直驶动力性和转向能力测试，结果表明：优选构型可实现偏航角跟踪精度大于94%、纵向速度误差小于2.1%的协同控制。研究结果为高功率密度混合动力履带车辆传动系统的设计提供了新的技术路径。

为提高传统履带移动机构的越障能力和环境适应能力，提出了一种行星式欠驱动可变形履带移动机构，其由履带驱动轮系和行星轮系构成，具有直臂模式、正交模式和过渡模式三种运动模式。该履带移动机构采用欠驱动方式，根据最小耗能原理实现快速响应的越障功能。首先，对履带移动机构进行运动学分析，得到了3种运动模式下履带移动机构的质心高度、接地面积与履带变形的关系，并分析了其适用环境。然后，建立了履带移动机构的动力学理论模型并计算了其可跨越的最大沟槽宽度和可翻越的最大凸台高度，同时分析了履带移动机构变形与越障所需驱动扭矩之间的关系。接着，基于履带移动机构的动力学仿真模型开展越障仿真分析，得到了其越障仿真过程及驱动扭矩变化曲线。最后，搭建了履带移动机构的原理样机并开展了相关实验，验证了其结构设计的可行性。结果表明，所设计的行星式欠驱动可变形履带移动机构可通过控制自身变形实现快速越障和适应复杂地形的功能，显著提高了履带移动机构的越障能力和环境适应能力。

混凝土3D打印作为一种快速、精确的增材制造技术，逐渐在建筑行业中展现出独特优势。然而，混凝土3D打印涉及多种工艺参数（如打印速度、挤出速度、层高和线间距离等），且这些参数之间存在复杂的耦合关系，导致沉积线状态的质量难以精确控制。为解决这一问题，提出了一种基于白鲸优化（beluga whale optimization, BWO）算法、支持向量机（support vector machine, SVM）和集成学习算法AdaBoost的机器学习模型（BWO-SVM-AdaBoost），用于探究混凝土3D打印工艺参数与沉积线状态之间的关系。BWO-SVM-AdaBoost模型以包含400个样本的数据集为基础进行训练与测试，其在训练集和测试集上的预测精度分别达到了99.76%和95.19%。与此同时，利用贝叶斯优化算法对不佳的打印工艺参数进行进一步优化，生成了最优的参数组合，有效地提升了打印构件的精度和稳定性。研究结果为混凝土3D打印工艺参数的系统优化提供了一种新颖且有效的方法，可为实现高质量的打印结构奠定理论基础。

为了解决175 MPa超高压井口装置因规范标准缺失而导致的传统设计中体积冗余、制造难度大及存在潜在失效风险等问题，开展井口设备关键部件6BX型法兰的结构评价及轻量化设计研究。以175 MPa井口装置使用的口径为280 mm的6BX型法兰为研究对象，从材料性能、垫环密封强度等方面对某公司生产的6BX型法兰进行评价，探讨了水压试验压力与法兰结构强度和尺寸的关系，揭示了法兰尺寸的影响因素；在保证安全的前提下，提出了轻量化的优化方案，并采用有限元方法论证了优化后结构的合理性。研究结果表明：采用传统方式设计的法兰结构能满足实际使用要求，但结构体积过大，安装不便，其壁厚过厚会造成材料热处理难度大且存在风险，而且采用标准BX型垫环有密封泄漏的风险；法兰结构尺寸受多因素影响，大口径法兰结构尺寸的主控因素是水压试验压力，其次是颈部厚度；建议根据弹塑性理论设计颈部厚度，对于175 MPa超高压井口设备，推荐法兰内外径之比为2，并采用加宽的BX型垫环。所提出的法兰结构优化方案合理，法兰轻量化效果显著，且有一定的安全裕量；建议降低175 MPa超高压井口装备水压试验压力，从原来的1.5倍额定压力降低为1.25倍。研究结果为175 MPa超高压法兰结构的设计提供了理论依据。

针对电连接器用G100硅橡胶绝缘件在长期贮存条件下的可靠性建模问题，从微观层面分析并揭示了其绝缘电阻下降的主要原因是环境温度和湿度引起了材料基体大分子基团发生氧化和水解反应；基于分子动力学和质量作用定律，分析了在温度和湿度影响下G100硅橡胶载流子浓度的变化，建立了G100硅橡胶失效物理模型；结合中心极限定理，构建了G100硅橡胶绝缘件贮存可靠性模型；利用A-D（Anderson-Darling）检验法和拟合优度检验法，结合扫描电镜和傅里叶变换红外光谱仪，验证了所构建模型的正确性和合理性。研究结果为电连接器用G100硅橡胶在长贮条件下的绝缘可靠性评估提供了理论基础。

为分析酸性环境下自冲铆-粘接（铆-粘）复合接头的失效形式和力学性能，以0.02 mol/L的NaHSO₃溶液作为腐蚀介质，对同质、异质的自冲铆接头和铆-粘复合接头进行干湿交替的周浸腐蚀试验，随后通过静力学拉伸试验对不同腐蚀周期下接头的静力学性能进行探究，并借助扫描电子显微镜对接头铆接成形过程中缝隙处的腐蚀行为进行研究。结果表明：腐蚀作用影响自冲铆接头的失效位移，铆-粘复合接头的静强度和刚度均优于自冲铆接头。粘接结构对腐蚀效应更为敏感，使得铆-粘复合接头的失效载荷逐渐减小，导致腐蚀中后期铆-粘复合接头的失效载荷由铆接结构承受；异质接头的稳定性比同质接头差，粘接剂的加入有效抑制了腐蚀环境下异质接头失效形式的转变。粘接剂对接头上板与下板间搭接区域的腐蚀有一定抑制作用，上板铆接孔壁的刮痕会加速铆钉管腿外侧与上板接触面处的腐蚀。选用铆-粘复合接头有助于提高铆接结构的静强度和耐腐蚀性能，延长了使用寿命。研究结果为铆接技术在酸性腐蚀环境中的应用提供了理论支持。

针对现有矿用钢丝绳质量检测设备操作过程复杂、检测直径范围有限等问题，设计并开发了一种适用于多直径矿用钢丝绳的在线智能无损检测仪，其主要包括开环永磁磁化系统、硬件外设、应用软件及滤波算法等。根据永磁漏磁检测的物理特性，通过ANSYS Maxwell软件建立了具有开环磁路特征的永磁磁化系统二维有限元仿真模型，分析了不同提离值下磁化钢丝绳的损伤特征曲线，确定了最佳提离值。为提高降噪效果，提出了基于差值极限滤波算法的信号波形平滑处理方法。多组试验结果表明，所设计的多直径矿用钢丝绳无损检测仪能够有效识别不同直径钢丝绳的断丝损伤，损伤位置检测的平均相对误差为0.36%，具有广阔的应用前景。

我国高铁开通运营后，因受到列车长期动载作用和复杂服役环境的影响，部分线路的无砟轨道结构几何形态出现了不同程度的变化，导致线路平顺性不佳，严重影响列车安全运行。为解决这一难题，通过分析现有修复技术和绳锯切割设备的功能，基于高铁运维的“受限空间”和“天窗点”短时间作业特点，提出了无砟轨道结构几何形态修复用绳锯切割设备的功能需求，研制了一款可实现轻质模块化、自主移动、不分段水平切割及双向转换切割的新型多功能绳锯切割设备，并成功应用于工程实践。结果表明：新型绳锯切割设备的最大静态应力和位移分别为94.5 MPa和2.1 mm，均小于允许值（235 MPa和4 mm），其前5阶固有频率与主运动电机的标准振动频率25 Hz相差较大，说明该设备具有良好的静动态特性。新型绳锯切割设备的综合施工效率较现有设备约提高了1倍，其切割精准性和运行稳定性均满足设计要求。所设计的绳锯切割设备为运营高铁无砟轨道结构解离提供了便捷高效的切割工具，对快速恢复高铁线路线形以及保障列车正常安全运行具有重要意义。

针对目前丘陵山区“无机可用、无机好用”以及农业生产能力差等问题，开展了丘陵山区土槽试验台车的设计与性能分析。首先，对土槽试验台车的机械系统、数据采集系统及控制系统进行了设计。然后，基于RecurDyn-EDEM耦合仿真对土槽试验台车的通过性进行了分析。最后，对土槽试验台车的整体性能进行了试验与分析。仿真结果表明：土槽试验台车从t=0 s开始加速，其行进速度在t=2.7 s时达到0.7 m/s，随后行进速度开始骤减直至仿真结束，最终的行进速度在0.1 m/s左右波动。在仿真过程中，限位弹簧能够提供大约700 N的摩擦力，悬挂装置的合力达到了6 665 N，仿真结果初步验证了土槽试验台车设计方案的合理性。试验结果表明：土槽试验台车动力输出轴的角加速度为14.74 rad/s2，其实际转速与目标转速之间存在15~20 r/min的误差；土槽试验台车的最大行进速度可达1.6 m/s，所需制动时间为2.61 s，对应的制动距离为1.62 m。当土槽试验台车以0.2 m/s为目标速度行进并搭配三七挖掘铲开展模拟试验时，其在2 s内即可达到目标速度，所测得的最大工作阻力为2 990.07 N。上述试验数据均满足设计要求，可为丘陵山区土槽试验台车的设计提供理论依据和参考。

针对当前轴承加速寿命试验装置难以准确还原伺服电机轴承在服役工况下受轴电流损伤、摩擦磨损等因素影响的问题，设计了一种考虑轴电流损伤的伺服电机轴承加速寿命试验装置。该试验装置可以模拟伺服电机轴承在轴电流损伤、摩擦磨损等因素影响下的性能退化过程，同时实时采集并分析相关监测数据，实现对伺服电机轴承性能退化过程的可视化表征。利用该试验装置开展轴电流对轴承的损伤分析试验和基于服役工况的轴承加速寿命试验。结果表明，所设计的试验装置具备准确模拟伺服电机轴承服役工况的功能，可为该类轴承的可靠性研究提供设备支撑与试验条件。

随着重型卡车向着更高速、重载、安全和舒适方向的发展，对其离合器摩擦片的性能提出了更高要求。针对汽车干式离合器摩擦片用橡胶改性树脂基摩擦材料的制备工艺和性能展开研究，系统对比了采用溶胶法制备的丁苯橡胶改性酚醛树脂基摩擦材料（styrene butadiene rubber-modified phenolic resin matrix friction materials, SBR-PF）与采用挤胶法制备的丁腈橡胶改性酚醛树脂基摩擦材料（nitrile butadiene rubber-modified phenolic resin matrix friction materials, NBR-PF）的性能。通过摩擦磨损试验研究了2种材料在不同温度下的摩擦行为，并结合扫描电子显微镜分析了其磨损机理。将制备好的摩擦片安装在离合器台架中，开展了标准热衰退试验和振颤试验。结果表明：NBR-PF的摩擦因数在高温下的稳定性远优于SBR-PF，同时NBR-PF具有更好的耐磨性；随着温度升高，2种材料的磨损机理都从磨粒磨损逐步演变为氧化磨损与疲劳磨损的复合作用；NBR-PF表现出更优异的抗热衰退能力和抗振颤能力。在热衰退试验中，SBR-PF的摩擦因数在330 °C左右开始急剧下降，在380 °C左右下降到0.2以下，而NBR-PF的摩擦因数在400 ℃时仍未衰减到0.2以下。在振颤试验中，SBR-PF的平均扭振衰减系数在200 r/min转速下超过了标准值，其最大扭振衰减系数在200 r/min和500 r/min转速下都超过了标准值，而NBR-PF在不同工况下的平均扭振衰减系数和最大扭振衰减系数都低于标准值。研究结果为环保型摩擦材料的制备提供了新思路，为离合器综合性能的优化提供了技术支撑。