针对工程机械优化设计问题呈现高非线性、高计算复杂度等特征及对高保真度、低成本仿真模型的需求，提出了一种基于自适应Kriging代理模型的工程机械结构优化设计方法。首先，采用泰森多边形（Voronoi diagram）方法划分工程机械结构设计变量样本空间，根据定义的样本点全局稀疏度指标（global sparsity index, GSI）找出需要加点的子空间，并根据最大最小准则在该子空间内生成全局点；其次，根据潜在最优参数定位局部加点子空间，在该子空间内产生局部点；最后，结合局部加密技术，将所得到的全局点、局部点和潜在最优解进行筛选后加入样本集以更新代理模型，从而提高代理模型的拟合精度，并将其运用于工程机械结构优化设计时代理模型的构建阶段，以大幅缩短传统高保真模型仿真时的计算时长，提升优化设计效率。数值算例验证和工程应用结果表明：与现有方法相比，在相同的加点数量下，采用所提出的方法能够使优化解更快地收敛至容许误差范围内；在臂式斗轮机上部结构和塔式起重机前臂架结构的轻量化设计中，经过1次迭代，最优解的最大相对误差分别降至0.09%和0.59%。该方法在工程机械结构优化设计中具有可行性和有效性。

针对传统神经网络在桥式起重机疲劳寿命预测中精度低、泛化能力弱等问题，提出了一种基于物理信息神经网络的疲劳寿命预测方法。以起重机结构疲劳裂纹扩展机理为基础，采用双向长短期记忆网络构建数据模型，对时序载荷数据进行特征提取与等效转换后，结合断裂力学理论建立物理模型，描述疲劳损伤演化规律。将数据模型与物理模型进行深度融合，将融合后的动应力数据作为物理神经网络的输入，将疲劳寿命作为输出，以满足Paris模型微分方程的惩罚项作为物理损失，并与网络数据损失联合来构建最小化损失函数，通过优化该损失函数实现桥式起重机疲劳寿命的精准预测。以DQ40 kg-1.8 m-1.3 m小型通用桥式起重机为例，通过对比起重机在正常运行下疲劳寿命的实测数据与预测数据，来验证所提出方法的可行性。结果表明，相较于卷积神经网络模型、支持向量回归模型和K近邻模型，物理信息神经网络模型的疲劳寿命预测拟合精度分别提升了19%、24.9%和26%。研究结果为起重机疲劳寿命预测提供了一种新策略。

在隧道初期支护中，湿喷台车泵送系统易堵管而引发非计划停机、施工延误等问题，因此亟须提升设备故障预测与运维能力。针对湿喷台车泵送系统堵管故障预测方法中存在的噪声干扰大、长时间序列数据的复杂特征难以充分捕捉等问题，提出了一种基于CNN-LSTM-Attention模型的泵送系统堵管故障预测模型。该模型以泵送压力为预测对象，通过四分位法剔除异常值并结合卡尔曼滤波进行数据平滑处理，以确保强噪声环境下输入数据的稳定性；通过CNN（convolutional neural network，卷积神经网络）提取泵送压力数据的局部时空特征，结合LSTM（long short-term memory，长短期记忆）网络捕捉泵送过程的长序列动态特性，并引入Attention（注意力）机制自适应加权波动压力的关键节点，以实现泵送压力趋势的高精度预测。实验结果表明，所提出模型的预测效果显著优于CNN、LSTM及CNN-LSTM等传统模型。在模型预测结果的基础上，构建了湿喷台车泵送系统健康状态评价体系，开发了健康状态预测平台，有效支持了施工现场的决策。

针对传统纱筒装取作业依赖人工操作的问题，业界致力于实现机械臂自动化抓取。为此，聚焦于机械臂自动化抓取中的物体包络和碰撞检测两个关键环节进行研究。为解决传统混合层次包围盒算法在复杂场景下包络精度不足的问题，设计了一种基于凸包（convex hull）结构的改进混合层次包围盒模型，通过在叶节点处构建凸包约束，显著提升了包围盒的空间贴合度。针对传统分离轴定理在处理复杂凸多边形碰撞检测时计算效率低下的问题，提出了基于梯度下降的分离轴优化策略，通过建立投影长度变化量与分离轴旋转角度的函数关系，动态调整分离轴的搜索方向与旋转步长。实验结果表明：相较于传统混合层次包围盒模型，改进后的混合层次包围盒模型在包络精度上明显改善；梯度下降分离轴算法在平均迭代耗时与迭代次数方面较传统分离轴算法分别降低了90.67%和98.48%。所提出的方法适用于工业场景中物体排布密集且需要高精度碰撞检测的复杂工况。

为研究压电喷墨打印技术在多层电路垂直互连工艺中的应用，提出了垂直互连孔增减材复合成形工艺。该工艺分别使用钻削制孔与激光制孔两种技术制作互连电路的盲孔，并引入压电喷墨打印技术进行互连孔的精准填充，成功实现了双层及四层垂直互连电路的制造。实验结果表明：基于激光制孔方式形成的互连孔的孔壁呈倾斜状态，填充的纳米银油墨在固化后呈锥形分布，且孔内出现充填空洞；采用钻削制孔方式制作的互连孔的孔壁垂直度良好，填充的纳米银油墨在固化后与各层电路形成了紧密且均匀的连接，孔内无空洞、气孔等缺陷。实验所制备的互连样件均成功实现了各层电路的互连导通，且各层电路的电阻均值小于1.70 Ω。结合钻削制孔、激光制孔与压电喷墨打印技术的垂直互连孔增减材复合成形工艺，为多层电路的垂直互连提供了一种可行的解决方案。

结合蚁群算法（ant colony optimization, ACO）与遗传算法（genetic algorithm, GA）的传统路径规划方法普遍存在路径不平滑、收敛速度慢及能耗较高等问题。为解决上述问题，提出了一种动态融合ACO与GA（dynamic fusion of ACO and GA, DACO-GA）的路径规划方法，以提升路径规划的效率与精度。该方法初期采用ACO生成初始种群，并引入GA进行优化调整；在后续阶段，通过动态切换2种算法的主导角色，实现全局与局部搜索的协调互补。算法设计中融合了自适应信息素分布、动态挥发因子及自适应交叉/变异概率调节机制，有效提升了搜索能力并缓解了局部最优问题。最后，围绕DACO-GA中的关键控制参数开展优化实验，以验证各改进机制的有效性。在多个典型场景下将DACO-GA与传统算法进行对比，以进一步评估其在复杂环境下的适应性。结果表明，所提出的算法可生成更平滑且长度更短的路径，展现出良好的全局优化能力以及较快的收敛速度。DACO-GA不仅为复杂路径规划问题提供了有效的解决方案，还可为多智能体协作、机器人导航等领域的优化提供技术参考。

针对泳池清洁机器人在执行任务时因外部干扰和转向滑移而偏离预定轨迹的问题，提出了一种基于改进滑模控制（sliding mode control, SMC）和（iterative learning control, ILC）的轨迹跟踪控制方法，旨在提高机器人在滑移干扰下的轨迹跟踪精度。首先，建立了机器人的运动学模型和动力学模型，并引入滑移参数以表征滑移干扰的影响。然后，结合SMC增强了机器人控制系统的鲁棒性，设计了适应滑移干扰的非线性积分滑模面，并利用ILC进一步提高了轨迹跟踪精度。最后，采用PD（proportional-derivative，比例-微分）型闭环ILC控制律作为反馈，通过理论分析证明了非线性积分SMC-ILC控制器在滑移干扰下的稳定性和收敛性。仿真结果显示，与传统的PID（proportional-integral-derivative，比例-积分-微分）控制相比，非线性积分SMC-ILC在轨迹跟踪精度和鲁棒性上具有显著优势。实验结果验证了所设计的控制器在实际泳池清洁机器人应用中的有效性，其能够在外部干扰和滑移干扰下实现精确的轨迹跟踪，进而提升清洁效率。研究结果为泳池清洁机器人的智能控制提供了新的解决方案，并为相关领域的轨迹跟踪控制提供了理论依据和实践支持。

针对软体爬行机器人在多样化表面环境下运动适应性差、摩擦驱动效率低的问题，提出了一种具有各向异性摩擦特性的三角形表面织构设计方案。根据尺蠖的运动原理，将三角形表面织构设计应用于软体爬行机器人的摩擦足，并与气动波纹致动器集成，以实现机器人在不同表面上的多种运动模式。首先，基于常曲率假设分析波纹致动器的弹性变形与压强的关系，并建立了其运动学模型。然后，搭建摩擦力测试实验平台，测量得出摩擦足在不同粗糙度接触基面上的各向异性摩擦性能。最后，开展机器人的前进运动与转向运动实验，以测试机器人在不同粗糙度基材表面上的运动性能。通过运动学实验验证了波纹致动器运动学模型的正确性。通过实验测得：在木质基面上，机器人的前进速度可达1.11 cm/s；在亚克力基面上，机器人的前进速度可达0.95 cm/s；在转向运动实验中，机器人在木质基面上的转向速度可达3.48 (°)/s，在亚克力基面上的转向速度可达3.08 (°)/s。结果表明，三角形表面织构设计能够有效实现各向异性摩擦性能，且摩擦性能随织构高度的增大呈现先提升后下降的趋势。三角形表面织构设计可显著提升软体爬行机器人在不同基材表面上的运动性能，具有一定的实用价值。

针对应用于微纳米定位领域的并联柔性机构存在旋转运动难以与其他自由度实现解耦以形成独立驱动单元的问题，以由簧片梁式平行四边形机构正交组合而成的旋转运动解耦机构为基础，对其进行扩展，将簧片梁替换为圆弧梁，设计了一系列基于圆弧梁的旋转纳米运动柔性解耦机构，并对其进行柔度建模与性能测试。首先，介绍了圆弧梁高度不同的柔性解耦机构构型，其由完全相同的上下两部分正交构成，通过充分利用圆弧梁在各自由度方向上的柔度特性，以实现对包含平动在内的多个耦合自由度的解耦。然后，基于柔度矩阵法对柔性解耦机构进行理论建模，确定各机构的尺寸参数并得到其输出柔度。最后，通过有限元分析和实验相结合的方法对柔度理论模型的准确性进行了验证，并比较了不同柔性解耦机构的解耦能力。结果表明：各柔性解耦机构柔度的有限元分析和实验结果与理论计算结果的相对误差均在10%以内，且其解耦性能与两侧圆弧梁的高度成正比关系。这类柔性解耦机构可应用于多自由度并联微纳米定位平台的柔性机构设计，具有一定实用价值。

针对空间望远镜焦平面基板结构刚度、热稳定性与轻量化的协同设计难题，通过拓扑优化方法对其进行优化设计。以某大型空间望远镜焦平面基板结构为优化对象，构建了以柔度最小化和温度梯度最小化为目标函数的拓扑优化数学模型，并采用层次分析法确定目标的权重系数。随后，使用COMSOL Multiphysics软件进行求解，得到了基板结构的拓扑优化结果。最后，基于优化结果对基板结构进行重构，并进行了有限元仿真验证。结果表明：与原始基板相比，优化后基板的质量减小了39.94%，最大位移减小了4.92%，基频达到801.2 Hz，满足设计要求，同时实现了轻量化目标。研究结果为其余工程结构的轻量化设计提供了参考。

针对重型燃气轮机多级透平轴系校中难题，建立了融合轴承支反力和轴承间相对变位的优化校中方法，并进行了热态验证。首先，采用有限元软件ANSYS Workbench模拟轴系冷态变形，获得了关键轴承的支反力和垂直位移；其次，采用融合轴承支反力和轴承间相对变位的多参数优化方法，利用MATLAB软件计算得到最优解；接着，采用Fluent软件仿真分析进气蜗壳与轴系之间气流的分布，考虑了轴系在实际工作状态下的温度影响，来验证热态下最优解的有效性；最后，在冷态下将轴承5#下沉0.057 mm，对轴系进行了精调，并开展了热态下校中实验，结果表明轴系振动量符合指标要求，验证了校中方案的有效性。所提出的轴系校中优化方法考虑了轴系实际温度和复杂载荷，对于轴系的精调具有较好的指导意义。

针对煤矿掘进工作面人工绑扎锚网效率低的问题，提出了一种矿用锚网绑扎装置。手持执行器是矿用锚网绑扎装置的终端执行器，为深入理解其工作机理并验证其设计可靠性，利用SolidWorks软件和ANSYS软件分别对绑扎机构的送丝、切丝与拧丝过程进行了仿真分析，得出工作过程中送丝齿轮的峰值转矩为0.19 N·m，切丝片的峰值转矩为0.54 N·m，拧丝轴的峰值转矩为0.40 N·m。运用ADAMS软件对绑扎机构的传动系统进行了多体动力学仿真，得到了传动部件运行的速度特性曲线以及齿轮啮合传递的负载特性曲线。基于ANSYS软件对绑扎机构的齿轮啮合运动进行了有限元仿真分析，得出了啮合过程中齿轮结合面的应力分布云图，并根据计算的许用应力对齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度进行了校核与验证。最后，搭建了锚网绑扎装置样机与手持执行器输入测试平台，并开展了绑扎性能验证实验。实验结果表明：手持执行器的性能与仿真分析结果基本吻合，绑扎动作连贯高效，单个绑扎操作循环用时1.8 s，绑扎效果符合设计要求且满足实际使用需求。研究结果为矿用锚网绑扎装置的优化设计与工程应用提供了理论依据。

针对罗茨泵极限真空度及其预抽时间模型复杂性高、通用性差及精度不足等问题，构建了高精度、简洁且通用的预测模型，为罗茨泵性能优化与精准评估提供理论支撑。建立了基于形状系数的全参数化转子轮廓模型，实现了转子几何特征的精准描述；采用扫过面积法解析理论流量，推导了瞬时流量、平均流量及流量脉动系数的计算公式；基于层流流动理论，结合径向、啮合及端面间隙的几何特征，建立了三大间隙的泄漏模型，其中端面泄漏采用等端漏面积的等效平行矩形板创新模型；基于抽气流量与泄漏流量平衡的原理和预抽基准容积等温转化理论，分别构建了极限真空度及其预抽时间模型，并通过CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）仿真对流量特性、泄漏流量、极限真空度及其预抽时间等进行了多维度验证。结果显示，渐开线轮廓下流量特性参数理论值与仿真值的最大误差为3.84%，泄漏流量理论值与仿真值的一致性误差在4.72%以内，极限真空度理论值与仿真值的误差为4.03%，预抽时间的误差为1.88%，各模型及等效方法的合理性均得到了证实。解析误差处于工程可接受范围内，全参数化设计方法提升了转子轮廓与性能参数的关联度，具备良好的可操作性与可重复性，可直接应用于罗茨泵的性能优化与快速设计，从而为罗茨泵在中高真空系统的工程应用提供了可靠的理论支撑。

为研究机械密封中非对称性沟槽对空化演变及密封性能的影响，设计并制备了平底对称性沟槽和左、右倾斜非对称性沟槽；同时，通过试验与数值模拟相结合的方法，研究了不同工况下非对称性织构化密封端面的空化行为、液膜压力与相态分布以及密封性能。结果表明：左倾斜非对称性设计增大了沟槽的空化面积，与平底沟槽相比，增幅约为21.3%；而右倾斜非对称性设计能有效抑制沟槽的空化行为，其空化面积的降幅可达44.9%。在密封性能方面，左、右倾斜非对称性设计均能抑制端面泄漏，泄漏量的降幅分别约为20.4%和40.7%，但其界面摩擦学特性却存在显著差异：左倾斜沟槽使密封端面的摩擦力矩约增大了30.8%，而右倾斜沟槽使密封端面的摩擦力矩约减小了42.6%。由此说明，右倾斜结构的渐扩设计延缓了沟槽入口处的截面突扩行为，促使流体能够更好地贴附壁面流动，减少了边界层流体脱离现象，有效地抑制了低压区的形成，减小了空化面积。此外，较小的空化面积不仅增强了沟槽单元的流体动压效应和液膜承载能力，改善了界面摩擦学特性，还促进了沟槽出口处稳定高压密封坝的形成，减少了泄漏通道。研究结果可为机械密封端面的优化设计提供重要参考。