椭圆形封头是承压设备的关键零件，广泛应用于石油、化工和核电等行业，椭圆形封头的设计对保证承压设备的安全可靠性和经济性具有重要作用。基于中国标准GB/T 150和JB 4732、美国规范ASME BPVC Ⅲ.1-NE、N-284、Ⅷ-1、Ⅷ-2和欧盟标准EN 13445，比较研究了它们的内压椭圆形封头设计方法。结果表明：美国和欧盟规范标准均采用基于失效模式的设计方法，而中国标准仍采用基于最大应力和极限压力的强度设计方法，并未给出防止局部屈曲失效的设计公式，不利于超大直径超薄椭圆形封头的设计；JB 4732的设计结果偏保守，经济性差；现有设计方法在理论上均未考虑材料应变硬化和大变形的双重影响。为此建议修订中国标准的内压椭圆形封头设计方法：综合考虑材料应变硬化和大变形的影响，建立基于失效模式的设计方法。

针对唇形密封圈性能评估过程繁琐且效率低的问题，基于唇形密封圈物理模型与Femap&NX Nastran平台，研究了基于物理模型的唇形密封圈静密封性能快速仿真流程定制技术。首先，基于Mooney-Rivilin模型的橡胶材料本构关系，利用有限元分析软件建立唇形密封圈的轴对称数值模型，针对该模型的非线性问题，采用收敛控制技术取得了良好的收敛性；通过有限元模拟获得了唇形密封圈装配过程中相关密封性能参数，并通过旋转力矩实验验证了密封圈性能评估有限元模拟技术的有效性。其次，基于唇形密封圈物理模型并结合设计工程师对产品性能评估的需求，提出了基于物理模型的仿真流程定制技术，并采用Visual Basic语言，结合Femap API，开发了唇形密封圈密封性能评估软件。最后，通过实例验证了该软件的有效性与通用性，结合CAD（computer aided design，计算机辅助设计）参数化技术，在灵敏度分析的基础上以提高唇形密封圈静密封性能为目标进行结构优化，最终达到提高产品密封性能与密封圈性能评估效率的目的。

为满足齿侧间隙在外啮合齿轮泵传动性能和困油性能上的不同需要，提出了一种位于从动齿轮非工作面上的"大-小-大"H型侧隙结构。首先，通过对齿轮泵困油过程的分析，从双齿啮合区内两困油区的连通和单齿啮合区内困油性能的完善两方面出发，建立了连通用和卸荷用侧隙的面积计算公式；然后，根据所确定的最小侧隙面积，计算出H型侧隙结构的几何尺寸；最后，提出一种双微圆贯通型卸荷槽，实现双齿啮合区的困油卸荷。实例分析结果表明：无论侧隙大小如何变化，都不存在绝对连通和绝对卸荷，只有在一定许可压差下的相对连通和相对卸荷；即使侧隙连通区实现了真正的连通，该区内的困油问题仍没有得到解决，需辅以额外的卸荷槽加以卸荷；"大-小-大"H型侧隙结构，既满足了齿轮传动的性能要求，也极大地提高了泵的困油性能；齿轮齿槽根部的两端面圆形除料和双微圆对称贯通型卸荷槽能提供足够的卸荷面积。研究结果表明H型侧隙结构、齿槽根部的两端面圆形除料和双微圆对称贯通型卸荷槽的组合充分满足了齿轮传动性能和困油性能的要求，且具有结构简单、易加工等特点，为消除外啮合齿轮泵困油的危害提供了一种新的卸荷结构。

新型逃生管道参数具有不确定性且单目标优化存在局限性，为了实现新型逃生管道多目标稳健性设计，结合田口稳健性设计方法与满意度函数，提出了一种基于满意度函数的多目标稳健性设计方法。该方法将产品质量特性的信噪比转换为具有田口稳健性设计的望大特性的满意度，然后通过加权几何均值实现结构的多目标稳健性设计。通过使用Hypermesh和LS-DYNA建立新型逃生管道的有限元模型，并对该有限元模型进行验证，然后运用所提出的方法对新型逃生管道进行多目标稳健性设计。结果表明，稳健性设计后新型逃生管道的信噪比提升了5.3%，说明管道抵抗噪声因子的干扰能力增强，结构更稳健；新型逃生管道质量降低了9.6%，实现了管道轻量化的目的。研究结果对提高新型逃生管道的稳健性具有一定的理论和工程意义。

为系统研究精密机床进给系统热误差的形成机理及其影响因素，提出了一种考虑结构热变形的进给系统热误差建模方法。在考虑进给系统内生热源及冷却系统对丝杠螺母副的温升和丝杠热变形作用机制的前提下，同时考虑了进给系统内生热源对精密机床结构大件（床身、立柱、溜板）热态特性的影响规律。通过分析结构热变形引起的进给系统电机座和轴承座相对位置的变化，建立了综合考虑结构大件和丝杠热变形的进给系统热误差模型。以JIG630精密卧式加工中心为例，进行了考虑结构热变形和不考虑结构热变形的进给系统热误差建模与仿真分析，并开展了相应的测试验证实验。结果表明考虑结构热变形的进给系统热误差模型仿真值与实验结果具有更高的一致性。该建模方法对精密机床进给系统热平衡设计、热误差的控制与补偿具有重要参考意义。

螺栓连接结构的载荷分配比例和螺栓与被连接件间的轴向相对刚度密切相关。为了更准确地求解螺栓连接结构中螺栓与被连接件间的轴向相对刚度，基于被连接件垂直于螺栓轴的各受压层压应力均匀分布与非均匀分布形式下的轴向压缩变形量解析式，结合有限元仿真结果，提出了被连接件压缩变形体起始直径的修正公式及轴向压缩变形量的修正解析式。通过提取仿真应力值，对压应力理论修正方程、压应力仿真拟合方程进行积分计算。对比计算结果发现：用仿真拟合方程计算得到的被连接件压缩变形体轴向压缩变形量与用理论修正方程计算得到的变形量的误差小于2.5%，这说明用仿真拟合方程求解被连接件压缩变形体的轴向压缩变形量具有较高的精度。研究结果表明：修正起始直径与夹紧长度、螺栓头与螺母支承面直径呈线性关系。压应力非均匀分布下，用被连接件压缩变形体轴向压缩变形量的修正解析式求解螺栓与被连接件间轴向相对刚度时，误差小于2%，表明该修正解析式能够较为准确地计算螺栓与被连接件间的轴向相对刚度。在修正起始直径的基础上，基于被连接件各受压层压应力非均匀分布的轴向相对刚度计算结果比基于均匀分布的更准确。研究结果为理论研究和实际工程中准确分析螺栓的受力情况提供了一定参考。

超深矿井提升机制动盘在紧急制动过程中由于受到摩擦循环热载荷的作用，内部产生较大的热应力，同时高温会导致制动盘和闸片摩擦制动性能下降甚至失效。针对制动盘制动热性能问题，根据热传导理论和有限元分析方法，建立了制动盘组件三维有限元模型，采取直接耦合方法对制动盘制动过程中的热应力场进行模拟研究，并通过实验验证了仿真参数设置的正确性。分析了闸片数量和排布方式对制动工况下制动盘温度和应力分布的影响。结果表明，在制动阶段，制动盘摩擦面温度先急剧上升，后缓慢下降，摩擦面温度呈现锯齿状波动性变化，制动过程中应力变化规律与温度变化规律相同。原制动盘在制动过程中的最高温度为134.8℃，最大应力为230.2 MPa，高温和大应力区域集中于摩擦面附近；增加闸片数量的制动盘最高温度为142.4℃，最大应力为251.1 MPa，高温和大应力区域同样集中于摩擦面附近；改变闸片排布方式的制动盘最高温度为86.5℃，最大应力为119.1 MPa，高温区域和大应力区域范围较小。由此可知，改变闸片排布方式更能显著降低制动盘温度和应力，并且温度场和应力场分布更均匀。研究结果可为制动盘热性能优化设计提供理论参考。

横梁作为桥式龙门铣床的主要运动部件，其结构设计的优劣直接影响机床整机的工作性能。为此，提出了一种基于正交试验设计、改进模糊综合评价和尺寸灵敏度分析的横梁结构设计与优化方法。针对横梁多因素多水平的结构设计特点，采用正交试验设计挑选出8种具有代表性的参数组合作为横梁结构设计方案。运用改进模糊综合评价法对有限元仿真数据进行处理，确定参数组合为"箱中箱式-井型-20 mm-线轨"的横梁优选方案，并对其关键设计尺寸进行灵敏度分析与优化，得到横梁结构具体的设计尺寸。优化后，横梁的静力学性能和抗振性能得到明显改善，并实现了轻量化设计，对机床横梁的实际制造起到了指导作用。研究结果表明，所提出的横梁结构设计与优化方法具有较强的工程实用性，为数控机床其它关键零部件的设计提供了新思路。

针对下肢康复外骨骼在使用过程中出现的运动偏差，基于人体-外骨骼运动模型与调整模型，完成了下肢康复外骨骼的结构设计与运动学分析。运用人机偏差变量理论和人机相容理论，在人体-外骨骼运动模型上添加被动自由度，建立了人体-外骨骼调整模型。根据2种模型设计了下肢康复外骨骼，该外骨骼提供运动模式和调整模式，可通过人机滑动偏差检测装置切换使用模式。通过建立单侧外骨骼机械腿运动学模型，求解其运动方程和连杆变换矩阵。运用MATLAB和ADAMS软件对外骨骼模型和人体-外骨骼模型进行运动学仿真，并对比分析仿真结果。结果表明：下肢康复外骨骼在矢状面内的运动空间可以覆盖人体末端运动轨迹，该外骨骼各关节仿真运动趋势与理论运动趋势基本一致；调整模式能够补偿运动模式产生的运动偏差，验证了下肢康复外骨骼机构设计的合理性。研究表明基于人机闭链设计的下肢康复外骨骼机构能够较好地补偿运动偏差，避免因人机滑动引起的人体二次损伤，为外骨骼的实用化设计与研究提供了理论基础。

我国探月三期工程采用回转冲击钻对月表月壤进行预计深度为2米的采样作业，采样过程中钻头由于钻削产生的切削热完全由钻具本身导热传递。由于月球的超高真空度以及苛刻的温度环境，导热效率相较于地面钻探低。同时，由于钻进工况的未知性，钻具可能会形成局部高温区域，这会使钻具的整体性能降低，尤其对钻具的取心性能影响最大。通过EDEM软件，建立不同形状及颗粒大小的月壤颗粒微元模型，组成月壤仿真模型，基于高温小颗粒群法，开展钻进过程月壤热特性仿真研究，研究温升颗粒的分布规律，并根据这一分布规律建立温升颗粒数量与温升之间的关系式。另外，在模拟月壤钻进实验中，在原有的取芯钻具上补充若干温度测量点，通过光纤光栅传感技术，开展钻具热特性实验研究，获得了钻头不同位置区域的温升规律，以及回转转速、进给速率对钻具温度的影响规律。温升颗粒数量模型以及常规热特性实验均能实现钻具温升情况的预测，为后续钻具在拟实月球环境及恶劣工况下的热安全性研究提供依据。

磨料水射流技术作为一种特种加工技术，具有无刀具接触、无热影响区和加工范围广等优势，在众多领域得到应用。为了探究磨料水射流对脆性材料的冲蚀效果，构建和设计了磨料水射流外流场冲蚀仿真模型与磨料水射流冲蚀实验。以30 mm×50 mm的喷嘴外流场域为计算域，建立磨料水射流冲蚀仿真模型，并分析射流冲蚀过程中压力分布、水与磨料的速度分布及它们在射流中心线上的衰减规律。通过对氧化铝陶瓷材料的冲蚀实验，分析工艺参数对冲蚀孔径的影响，并结合仿真结果对比分析了射流束宽度与冲蚀孔径的关系。结果表明：水的速度随着喷嘴距离的增大而减小且分布范围变宽，射流宽度呈线性增大，磨料速度随喷嘴距离的增大而减小且分布范围基本不变；射流中心线上水的速度与磨料速度呈三段式衰减，水的第1段速度衰减段长度比磨料的长，但水的第2段速度衰减段长度比磨料的短；射流束能量的有效利用部分逐渐减小，但在15~25 mm的靶距范围内其有效利用部分较稳定，为40%；冲蚀孔径随喷嘴距离增大呈线性增大。研究结果为磨料水射流切割、铣削及抛光加工的参数选择提供实验依据，同时为磨料水射流加工过程仿真提供参考。

针对液动冲击器在泥浆钻进过程中因冲蚀严重而无法实现工业化应用的问题，从结构创新角度设计了一种抗冲蚀的新型液动冲击器。以液固两相流动力学和冲蚀理论为基础，建立液动冲击器冲蚀模型，采用拉格朗日粒子追踪算法计算固相颗粒运动轨迹，基于液动冲击器内部流场分析预测冲击器冲蚀区域分布、颗粒冲击速度对主要零件（冲锤、上套筒和外壳）冲蚀的影响及其工作寿命。由数值模拟结果可知：冲蚀区域主要集中在冲锤上腔的底面、冲锤边角处、流道孔进口壁面、上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面；冲锤、上套筒和外壳的平均冲蚀率与冲击速度呈幂函数关系，速度因子在1~4之间；根据对比分析可知，新型冲击器关键零部件的耐冲蚀寿命与现有冲击器射流元件相比有明显提升。研究工作对推动新型液动冲击器工业化应用有较为重要的参考价值。

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。

大地的表面形貌是影响可控震源振动器平板与大地之间接触性质的因素之一。为了掌握大地表面参数对可控震源振动器平板-大地接触系统接触性质及振动特性的影响规律，基于分形理论建立了三维粗糙大地表面形貌，构建了振动器平板-大地接触模型，得到了不同大地表面形貌及材料参数下振动器平板与大地之间的接触力-变形曲线；建立了振动器平板-大地接触振动动力学方程，并计算了振动器平板的位移响应以及能量传递。结果表明：振动器平板与大地之间接触力的非线性随大地表面粗糙度的增大而增大，振动器平板-大地接触系统的固有频率随大地表面粗糙度的增大而减小；粗糙表面的接触模型中振动器平板每一周期向大地传递的能量随时间的增大而减小。同时，大地表面材料参数的非线性也会影响平板-大地接触系统的振动响应和能量传递。由此可知，大地表面的粗糙度和材料的非线性是限制可控震源高频输出的重要原因。研究结果将为可控震源的优化和高频拓展提供参考。

传统FDM（fused deposition molding，熔融沉积成型）型3D打印机在打印倒体件的过程中需设置辅助支撑结构，打印完成后去除支撑结构，这会导致成型件的精度降低。为解决传统FDM型3D打印机存在的问题，设计了一种基于混合坐标系的FDM型3D打印机。将基于笛卡尔坐标系的运动方式转换为基于拟球坐标系的运动方式，由X-Z平面内的旋转运动、X-Y平面内的旋转运动和Z轴方向的直线运动组合成拟球坐标系内的运动，达到无支撑3D打印的目的。介绍了基于混合坐标系的FDM型3D打印机控制系统的硬件和软件设计。用传统FDM型和基于混合坐标系的FDM型3D打印机进行打印实验并作对比，结果表明在同等级精度硬件配置的情况下，基于混合坐标系的FDM型3D打印机可以实现更高的打印精度。基于混合坐标系的FDM型3D打印机创新性强、造价低，拥有自主知识产权，具有广阔的市场前景。

在隧道施工中，防水工序的施工质量及效率直接影响着工程进度。针对采用传统的脚手架人工棍棒托顶铺设防水材料存在劳动强度大、铺设效率低、安全稳定性差等问题，设计了一款多功能铺设台车及其液压控制系统。首先，介绍了台车的总体结构，它由门架支撑机构、行走机构、卷扬机构、爬行小车及同步机构、伸缩平台及顶撑机构等部分组成；然后，在分析液压系统的工作要求及工作原理的基础上，对液压系统的参数及液压元件进行了分析计算和选型，确定了最优方案；随后，根据液压系统并联回路的特征，重点针对整升回路采用AMESim软件建立了液压仿真模型进行动态仿真分析，得到液压缸工作时的压力、流量、位移等响应特性曲线。实验结果表明液压系统设计合理、响应速度快、性能稳定、可靠性高，可满足工作要求。研究结果可为铺设台车液压系统的优化设计提供指导。