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。

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。

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。

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。

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．

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。

可靠性试验强化系数是汽车试验场制定规范的基础,运用科学的计算理论和方法可以得到准确的强化系数．根据Miner线性累积损伤理论,按照零件产生疲劳的因素对其进行修正,推导了计算汽车可靠性试验强化系数的数学模型,并在模型中引入损伤因子统计量和频率因子统计量的概念,使影响强化系数的多因素的物理意义更为准确．结合长安大学汽车试验场可靠性强化道路的实际,对某载货车在试验场上的载荷谱测试数据进行处理,计算得到试验场多种路面的综合强化系数．提供的理论和计算方法对其他试验场具有普遍的参考价值．

为提高折展机构的折展率和支撑性能，提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先，提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构，利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响，发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量，且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后，根据泊松比的定义，设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构；基于螺旋理论，通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1，将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后，建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机，进一步验证了机构的变泊松运动特性，这可为后续的研究提供理论基础。

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。

分析了鞋类产品的需求特点，给出了鞋类产品大规模定制的四种基本类型,构造了鞋类产品大规模定制的技术体系，重点讨论了鞋子大规模定制的开发设计技术,为制鞋企业实施大规模定制生产方式提供了一个途径。

预期失效分析(anticipatory failure determination，AFD)是在TRIZ基础上发展起来的一种失效分析方法，通过反向思维将TRIZ中的发明问题解决算法(ARIZ)逆向应用于失效分析，并集成应用了TRIZ中的冲突分析与解决工具消除失效隐患。AFD主要应用于产品设计中的失效预测分析。给出了AFD方法的原理及应用于失效预测的详细工作流程，分析了在中药滴丸机设计过程中应用AFD进行失效预测分析的一个实例。

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。

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。

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。

根据某型号固体火箭发动机总体设计要求及限制条件，给出了喷管型面设计方法。采用计算流体动力学(CFD)方法，用单方程（Spalart-Allmaras）湍流模型，分析计算了不同入口压力下喷管内流场特性和壁面压力、温度分布等。根据流场计算结果求出了发动机瞬时推力，并与地面推力试验结果进行了对比。

在当前民用飞机舱门操作面板设计中，人机功效和界面设计缺少统一的标准和规范，设计过程过于依赖个人经验和自身偏好，导致所设计的操作面板在使用过程中人机功效较差。为此，基于人机工程学原理讨论了民用飞机舱门操作面板显示与操作的设计原则，并提出了一种集中式舱门操作面板及区域控制面板的设计方案。首先通过问卷调查来确定舱门操作面板的信息组织、编码、显示元素和显示形式等，然后构建舱门操作面板、区域控制面板以及飞机的三维模型，最后使用人机工程仿真软件DELMIA对操作面板的布置、按键尺寸和触及域进行了动态操作仿真。仿真结果表明，所设计的舱门操作面板增强了人机功效，提高了作业的安全性和效率，减少了空乘人员的误操作和工作负荷。所设计的操作面板和区域控制面板不仅实现了整机舱门的集中监控管理与区域作动控制，还能作为人机交互设备，适用于大中型宽体飞机的客舱和货舱，应用前景十分广阔。

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。

传统缺口型柔性球铰的工作行程较小，且存在结构构型及柔度计算复杂、加工工艺要求高等问题，不能应用于需大行程的场合。为此，设计了一种正交簧片型大行程柔性球铰，即将具有较大变形能力的簧片梁通过正交组合形成虎克铰，使其能够实现3个功能轴线方向的运动。该柔性球铰具有结构构型简单、加工制作容易和工作行程较大等优点。根据柔性球铰单个簧片梁的柔度矩阵及连接方式，采用柔度矩阵法和坐标变换方法，对柔性球铰的全局柔度矩阵进行建模和计算，通过有限元仿真和实验测试对所建立的柔度模型进行验证，并分析了柔性球铰几何参数对柔度的影响规律。结果表明：柔度理论计算值与仿真值的相对误差基本在10%以内，与测试值的相对误差在8%以内；几何参数对柔度影响程度从大到小依次是柔性簧片梁2的厚度、宽度、长度。研究结果可以为大行程空间柔顺机构的多样化设计提供参考。

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。

在云边协同智能监控系统的边缘计算设备上部署行为识别算法时，由于缺乏合理的任务卸载方案，使得系统的计算资源分配不均，从而导致系统运行功耗不稳定，并影响识别的速度及准确率。为解决上述问题，设计了一种基于场景人物数量的任务卸载方案，以优化云边协同智能监控系统的运行稳定性和识别效果。首先，对智能监控系统的运行参数进行了采集，确定了其功耗曲线和识别性能。然后，设计了轻量型人物数量识别模块，并通过程序编写实现了基于场景人物数量的监控任务分类。接着，测试了不同视频采样率对智能监控系统功耗和识别性能的影响，并确定了最佳采样率分配方案。最后，在复兴号动车组生产线的智能监控系统上对所提出的任务卸载方案进行了测试。结果显示，相较于现有的并行式任务卸载方案，基于场景人物数量的任务卸载方案使该生产线智能监控系统的平均识别准确率提高了0.53%，平均延迟缩短了1.56%，平均功耗降低了14.47%，有效地提高了系统的运行稳定性。研究结果对云边协同智能监控系统运行稳定性和识别效果的优化具有重要意义，可为其性能提升提供理论依据和工程支持。

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。

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

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。

六维力传感器作为重要的空间力感知元件，被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等。目前，提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一。但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响，六维力传感器会产生维间耦合现象，而维间耦合是影响其精度的重要因素。为减少耦合误差的影响，采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究。首先，对六维力传感器进行了耦合分析，得到其耦合模型。然后，对六维力传感器的线性解耦算法进行研究，并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法，以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差，从而提高其精度。最后，选用正交并联六维力传感器开展标定实验，并分别采用2种算法进行解耦求解。结果表明，基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响；所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度，与线性解耦算法相比，最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点。研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考。

针对核电厂主变压器智能化程度低，运维仍以人工巡检、定期维护为主，以及缺乏运行状态实时预测和评估手段的现状，搭建了基于耦合场快速计算的主变压器数字孪生体。首先，建立主变压器的精细化数字模型并开展多物理场实时仿真分析，获得了其关键部件的电磁场、损耗分布云图。然后，为解决主变压器流场和温度场仿真耗时长、无法实现运行状态实时监测的问题，提出了一种耦合场快速计算方法。最后，结合所提出的方法和各传感器采集的运行状态数据，搭建了主变压器的数字孪生体，实现了对实体主变压器多维度、全过程、全景式的状态监测与展示。结果表明，通过搭建数字孪生体可实现对不同工况下主变压器运行状态的实时监测和预测评估，为主变压器的运维巡检提供了便利，有助于核电厂的安全可靠运行。