随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移，现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此，提出了一种新型激光-PDC钻头，以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法，基于岩石HJC（Holmquist-Johnson-Cook）本构模型，建立了激光-PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头联合破岩非线性动力学模型，开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明：激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力，进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带，降低了岩石强度，更有利于切削齿破碎岩石；与无激光单PDC钻头相比，激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%，钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%，钻进位移增加了8.67 mm，钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架，进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明，激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性，大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具，具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元，决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置，使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此，PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究，但目前仍缺乏系统性的总结。为此，以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础，总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程，主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结，指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考，有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。

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。

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题，采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响，获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析，确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据，得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大，试样的柔性减弱；在4种超弹性模型中，Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果；4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考，为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

车用盘式制动器是车辆中的重要零件。在紧急制动过程中，制动压力、整车参数以及轮胎与路面间附着系数之间的关系对制动器摩擦温度场分布有重要的影响。通过有限元仿真，探讨不同制动工况参数对瞬时温度场分布的影响。结果表明：如果忽略制动过程中摩擦热流强度的变化，会给温度场模拟带来较大的偏差。制动初始动能和摩擦力增长过程是影响盘表面温度场的关键因素。

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。

针对PDC钻头布齿设计的多样性与灵活性，为了提高PDC钻头布齿设计的科学性与效率，提出了一种PDC钻头布齿参数逆向设计与优化的方法。以使用效果欠佳的钻头为原型，反求出原型钻头的布齿参数。在反求布齿参数的基础上，根据仿真计算模型的结果以及实际使用情况为钻头的布齿设计提供理论帮助。最后，根据磨损速度优化模型与侧向力平衡优化模型对布齿参数进行优化。研究结果表明：反求的布齿参数精度高，优化设计后的钻头具有更高的钻进速度与更大的钻进深度。布齿参数的逆向设计与优化方法为PDC钻头的个性化设计提供了一种全新的思路。

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。

针对核电厂离心泵在线故障诊断困难的问题，提出了一种基于小波包分解与随机森林的故障诊断方法。首先，利用小波包分解对离心泵电机驱动端径向垂直方向的振动信号进行3层分解并提取子频带能量特征。然后，基于离心泵振动信号的波形数据提取时域统计特征，并与小波包能量特征相结合作为随机森林模型的输入。最后，通过由振动试验得到的离心泵振动数据集对随机森林模型进行训练，形成离心泵故障诊断模型，并对该模型与支持向量机、逻辑斯蒂回归、K近邻、高斯朴素贝叶斯等机器学习模型在相同的离心泵振动数据集上进行了对比测试。结果表明，所构建的模型能够准确识别离心泵正常、叶轮破损、叶轮堵塞、电机轴承故障等运行状态，并表现出更优的分类性能。基于小波包分解与随机森林的故障诊断方法可以有效地从振动信号中提取特征并实现故障分类，对于核电厂离心泵在线故障智能诊断具有一定的可行性和有效性。

针对现有电力隧道巡检机器人自动化程度不足、视野和观测角度有限的问题，设计了一款子母式自动巡检机器人。其中：具有移动功能的巡检机器人母机能够完成主要的日常巡检工作，并具备越障、避障能力；具有攀爬功能的子机能够完成复杂环境、极限角度条件下的勘测任务。子、母机共同协作可完成整个电力隧道的自动化巡检。首先，基于总体功能需求，提出了巡检机器人各模块的具体形式，并完成了其自动巡检的逻辑系统分层设计。然后，基于虚拟样机技术，在ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件中建立电力隧道运行环境，并结合运动学仿真分析结果优化巡检机器人母机的结构，以提升机器人在隧道内作业的平稳性并确保其所搭载的传感器均能正常工作。结果表明，母机结构优化后，巡检机器人能够平稳运行，传感器平台的抖动幅度在5 mm内，且搭载的各传感器均能正常工作，验证了该机器人方案设计的合理性。相关理论研究结果可为电力隧道自动巡检机器人物理样机的研制提供可靠的技术支撑。

在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义。为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题，以汽车涂装车身缓存区（painted body storage，PBS）为研究对象，提出了一种新型的数字底座平台，来实现数据链整合和多源异构数据融合。同时，设计了一种针对PBS的车身调序策略，考虑了总装工艺对车序优化的约束，采用遗传算法获得了PBS出车序列，然后以逆序数对为参考指标，进行PBS车道排布。将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业，应用效果验证了所提出方法和策略的有效性。研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考。

多学科设计优化技术属于当前复杂系统设计研究中最新、最活跃的领域，受到越来越广泛的重视。在阐述多学科设计优化技术的定义与内涵的基础上，分析多学科设计优化技术的研究内容，综述了国外的研究现状并对国内外发展状况进行了对比分析，指出了目前多学科设计优化技术研究中存在的问题以及今后的主要发展趋势。

载荷是滚动轴承运转过程中不可忽视的因素，不同特征的载荷会对轴承的可靠性产生差异影响。针对滚动轴承实际当量动载荷具有随机时变的特点，提出了一种考虑动态时变载荷的滚动轴承可靠性寿命评估方法，以解决传统方法忽略轴承载荷时变性导致的评估精度较低的问题。利用灰色预测模型，构建了轴承当量动载荷随机时变过程的分析模型，对小样本载荷数据进行预测补充；在此基础之上，提出了基于动态应力—强度干涉模型的轴承可靠性寿命评估方法，得到了动载荷的工作区间，从而获得轴承可靠性寿命区间；进行了圆柱滚子轴承NU206E的可靠性寿命测试，对该方法进行验证。结果表明：与传统方法相比，采用所提出的方法得到的轴承寿命评估值与测试值较接近，精度较高，评估时间较短，且能获得覆盖大部分测试值的寿命区间。结合灰色预测模型和动态应力—强度干涉模型的滚动轴承可靠性寿命评估方法具有良好的工程应用价值，为变载工况下的滚动轴承可靠性评估提供了新的思路。

为对电动汽车动力电机馈能效率进行研究，方便馈能效率的测量，提出一种基于滑模控制算法的PMSM（permanent magnet synchronous motor）馈能研究方法，即通过控制电动机的输入电压与电流来驱动相同性能的电动机发电。首先以馈能理论为基础，建立包含滑模变结构控制、空间矢量、PMSM等模块的PMSM馈能系统仿真模型，并进行离线仿真分析。结果表明：采用所提出的馈能方法可达到70%左右的馈能效率，具有一定的可行性。同时，建立PMSM馈能系统dSPACE硬件在环试验平台，对其进行硬件在环试验验证。试验结果表明：电动机馈能效率在60%~80%的范围内，与离线仿真所得结果较为接近。这不仅验证了所建立的馈能仿真模型的正确性，且进一步证明了纯电动汽车动力电机自身馈能在节能方面的可行性。所提出的馈能方法能够为目前现有馈能方式提供更多选择，硬件在环试验研究也能够为后续的PMSM台架和实车试验研究提供一些技术支持。

诊疗微机器人外磁主动驱动是一种重要的可行的驱动方式,而如何产生合适的外部磁场是一个比较复杂的问题．相对于目前常用的通过电磁线圈组合产生驱动磁场方式,提出一种新的简单可行的永磁体组合产生旋转磁场方法,即圆周阵列永磁体并将其调整到对应的初始方位角后,同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场,作为微机器人的主动驱动场．对于阵列中心区域的磁感应强度分布,作了理论分析和数值计算,并搭建了实验台．实验表明,采用边长为50 mm、高为18 mm的钕铁硼永磁体阵列,阵列数为6,阵列直径为275 mm时,可以在±50 mm×±50 mm×±20 mm阵列中心区域产生一个大小为0.012 T的均匀磁场,该磁场与永磁体同步旋转但是方向相反．这种新的磁场产生方法可以用于微机器人特别是诊疗微机器人的驱动,具有广阔的应用前景．

稳定、连续的视觉位姿测量数据对提高煤矿掘进装备的工作效率具有重要意义。目前，基于视觉信息的掘进装备位姿测量方法存在合作标靶移站后标定过程烦琐、无法自动连续测量的问题。针对这一难题，提出了一种基于双目视觉的移站自主标定方法。首先，采用HSV（hue, saturation, value，色调、饱和度、明度）颜色分割和点线特征提取技术，针对合作标靶的红色特征进行处理，以获取合作标靶图像信息。然后，设计移站标定解算模型，利用双目视觉测量方法获取合作标靶的空间参数。最后，根据标定过程中相机与合作标靶的相对位置不变的特点，利用L-M（Levenberg-Marquardt）算法优化合作标靶的空间参数，并将优化结果应用于视觉定位系统，以完成移站标定。实验结果表明：移站标定后掘进装备机身的位置测量误差均在50 mm以内，姿态角测量误差均在0.6°以内。所提出的基于双目视觉的移站自主标定方法满足煤矿掘进装备视觉定位系统的精度要求，可为快速掘进技术的研究提供理论支持。

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。

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。

针对刚性机械臂在果蔬采摘作业中的不足，设计了一种结构简单、运动灵活的柔性采摘机械臂。首先，基于等圆弧假设建立了柔性采摘机械臂的运动学模型，对其进行了从关节空间到操作空间和从驱动空间到关节空间的正、逆运动学分析以及各柔性关节之间的解耦分析。然后，利用MATLAB软件对柔性采摘机械臂的运动学模型进行了数值计算，同时利用ADAMS软件建立柔性采摘机械臂的虚拟样机模型，选用与理论分析相同的工况开展运动学仿真，验证了理论分析结果的准确性。仿真结果表明，该柔性采摘机械臂可实现灵活、协调运动。研究结果可为后续柔性机械臂的运动控制提供依据。

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。

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。

针对利用公理设计理论进行产品设计时存在的很多耦合问题，综合应用公理设计理论与创新问题解决理论，提出利用创新问题解决理论中的矛盾矩阵来解决公理设计中耦合问题的一般方法，并通过打桩机的解耦设计对这一方法进行说明。

起重机是八大特种设备之一，其结构设计的合理性对于设备安全运行、提质增效至关重要。为此，提出了一种基于结构功能衍生系数的桥式起重机金属结构优化设计方法。首先，利用解释结构模型准确描述了起重机不同零部件之间的相互作用和影响关系，分析了起重机结构的复杂性，识别出对起重机金属结构强度影响较大的参数并对其进行优化设计；其次，在有限元仿真的基础上，将结构功能衍生系数与拟合函数相结合，寻找出最佳的设计参数组合；最后，以300/100 t-30 m通用桥式起重机为工程实例，通过仿真使整机的质量减小了2 035.113 kg，验证了所提方法的有效性。基于结构功能衍生系数的起重机金属结构优化设计方法，解决了传统的优化方法中忽略了起重机各零部件之间复杂的相互作用的问题，可在确保起重机服役安全性的基础上实现其金属结构的轻量化设计。

振动器平板是耦合横波可控震源振动器与大地的关键媒介，而平板齿与平板的焊接部位在地震波激发工况下受力复杂，易发生疲劳失效，导致平板的使用寿命较低。针对传统结构疲劳寿命分析方法不考虑焊接残余应力的问题，采用等应变原理建立应力耦合准则，并对平板焊接焊缝危险部位开展焊接残余应力与工作载荷应力的耦合计算。随后，基于修正的S—N曲线和耦合应力谱，采用Miner准则分析平板在焊接残余应力与工作载荷应力耦合作用下的疲劳寿命。结果表明：在焊接残余应力与工作载荷应力的耦合作用下，平板发生疲劳破坏的工作寿命为8.69 a，与实际8 a工作寿命的相对误差为8.6%。耦合焊接残余应力的振动器平板疲劳寿命预测方法具有较高的精度和稳定性，可为横波可控震源的维护与优化提供新的思路与方法。

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。