在产品概念设计过程中，明确设计任务，应用数字孪生技术，可以更好地处理大量用户数据、监测功能运行和分析目标产品，促进设计方案的产生。首先，以设计任务为切入点，引入用户因素，集成任务分析法和情景分解法来分解设计任务，构建任务域任务流模型；其次，利用模糊综合评价法量化设计任务，明确设计任务，并对设计任务进行进一步分解，构建物理域实体任务情景模型；基于任务流的走向分析交互通道与虚拟域数据类型，构建虚拟域任务情景模型，完成基于设计任务的数字孪生模型的构建。最后，将这一方法应用于智能分类垃圾桶数字孪生模型的构建，拓展了数字孪生在概念设计中的应用。在产品概念设计阶段将用户因素融入设计任务中，可提高产品的设计质量。

为了分析水平井完井管柱的振动机理，研究不同气体产量对完井管柱振动的影响，开展了不同气体产量下完井管柱振动试验研究。应用应变片测试技术采集不同气体产量下完井管柱在水平和重力两个方向的振动应变数据，采用模态分析法处理试验数据，得出管柱振动响应。结果表明：在气井开启初期，由于水锤效应，管柱容易产生较大振动，随着进气量的稳定，管柱振动逐渐减弱；完井管柱弯曲段流速不均匀，其振动较大；由于作用于管柱水平方向和重力方向的力不同，管柱水平方向的振动比重力方向的振动剧烈；完井管柱的振动位移、振动频率和位移标准差均随着气体产量的增大而增大，但在试验工况下，其在不同产量下的模态阶次相同。因此，适当减少气井开关次数、减小造斜处的井斜角以及气体产量有利于减小完井管柱与套管之间的碰撞和磨损，增强管柱的安全性。研究结果可为生产实际中减弱完井管柱的振动提供参考。

浮式生产储油卸油装置（floating production storage and offloading，FPSO）是集油气生产、存储及外输于一体的高度集成的模块化高端海洋工程装备，在南海的极端海况下其模块支墩的安全性和稳定性直接影响海上油气生产作业的安全。为此，基于水动力学分析和耐波性理论分析，研究在南海典型海域的极端海况条件下FPSO的运动响应规律，结合有限元方法对其整体模型进行动态力学分析，并进行模块支墩的强度分析和安全评价；采用相似理论设计了缩尺比为1∶10的试验模型，开展用六自由度平台模拟海况的模拟试验。结果表明：随着南海海况恶劣程度的提高，横摇运动幅值增大，模块支墩变形和受力增大，应力集中现象明显；应力主要集中在斜支撑肘板，其屈服强度符合标准要求；关键点ZD1-N₃、ZD2-N₄处最大应力测试值与仿真值的相对误差分别为16%，10%，验证了有限元动态力学分析结果具有较高的准确性；增加肘板筋板厚度和改善支墩结构是提高支墩结构强度的有效方式。研究为FPSO模块支墩的设计和建造提供了理论指导。

摇臂是采煤机的关键执行部件，起调节滚筒截割煤岩高度的作用，其在复杂工况环境下会产生强烈的振动。为了研究采煤机摇臂的横向振动特性，首先，对采煤机摇臂及其连接件进行理论建模，建模时将摇臂简化成梁模型、滚筒简化成集中质量块、小摇臂简化成刚性杆以及调高油缸简化成弹簧阻尼系统；然后，根据欧拉-伯努利梁理论构建采煤机摇臂横向振动微分方程，并基于等效替换原则构建其约束方程；接着，利用谐波函数法对采煤机摇臂的横向振动微分方程进行求解，得到其各阶模态的固有频率解析式；最后，利用采煤机模型进行摇臂模态试验，并与理论计算结果进行对比验证。结果表明：基于理论模型计算得到的摇臂前6阶模态的固有频率为1 129，7 036，7 118，17 756，19 800和30 100 Hz，通过试验测得的摇臂前6阶模态的固有频率为1 078，6 268，6 310，15 886，18 938和27 714 Hz；计算值相对于试验值的误差分别为4.73%，12.25%，12.81%，11.77%，4.55%和8.61%，均小于15%，在合理误差范围内。研究结果表明，所建立的采煤机摇臂横向振动模型具有一定准确性和实用性，可为采煤机摇臂的结构优化提供理论支撑。

为了解输电线路跳线的风偏特性，以指导跳线的合理布置，从而减少由跳线风偏引起的闪络跳闸事故的发生，对某500 kV输电线路的跳线进行有限元风振响应分析和风洞试验研究。首先，运用时域有限元分析方法对500 kV输电线路跳线的风振响应进行分析，研究了不同风速、不同风向角以及加装悬垂绝缘子串对跳线风偏特性的影响。然后，基于相似性理论制作了500 kV输电线路跳线的气弹模型，开展了风洞试验并与有限元分析结果进行对比验证。结果表明：输电线路跳线的风偏位移随风速和风向角的增大而增大，与风速呈正比例函数关系；随着风向角的增大，跳线风偏角的增大幅度减小；加装悬垂绝缘子串可有效抑制跳线风偏。分析得到的输电线路跳线风偏结果可为跳线的风致振动理论研究以及实际输电线路建设提供依据。

双盘直槽（double-disc and linear-groove， DDLG）研磨方法是以1个平端面研磨盘和1个具有多条直沟槽的研磨盘为对磨研具，对圆柱滚子的滚动面进行精密加工的新方法。在加工过程中，圆柱滚子沿直沟槽连续供料，在2个研磨盘的摩擦力矩驱动下连续自转。研磨盘材料的选择是搭建双盘直槽研磨设备的基础。为了确定适用于双盘直槽研磨方法的研磨盘材料组合，基于摩擦磨损实验展开相关研究。首先，基于摩擦原理，分析了圆柱滚子的运动状态和研磨盘材料的摩擦特性对研磨效果的影响，并确定了研磨盘材料摩擦系数的筛选条件。然后，通过销-盘摩擦磨损实验测试了铸铁、45钢、黄铜、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene， PTFE）、有机玻璃（polymethyl methacrylate， PMMA）、125%铸铁基固结磨料和125%树脂基固结磨料等多种备选材料在研磨条件下的摩擦系数、耐磨性和排屑性能。最后，搭建了双盘直槽研磨试验台，通过观察圆柱滚子的自转情况来验证基于摩擦磨损实验的研具选材方法的合理性。通过摩擦磨损实验测得，铸铁和45钢的滑动摩擦系数大，磨削效率高，但耐磨性差，适合用作大去除量场合的上研磨盘材料；有机玻璃的滑动摩擦系数大，耐磨性好，磨削效率高，适合用作小去除量场合的上研磨盘材料；聚四氟乙烯的滑动摩擦系数小，耐磨性好，可用作下研磨盘直沟槽材料；固结磨料的滑动摩擦系数变化大且易堵塞，不适合用作研磨盘材料。研究结果可为双盘直槽研磨设备的设计提供可行的研具选材依据。

为了探索大重合度直齿圆柱齿轮的承载能力，以2排交错布置、具有纵向重合度的直齿圆柱齿轮为研究对象，基于由动力学分析得到的轮齿间动态法向力的变化规律和齿轮的啮合点位置，采用有限元分析法计算其齿根弯曲应力，利用Hertz公式计算其齿面接触应力。通过计算可知：与静态工况相比，考虑齿轮传动系统动力学效应时，大重合度直齿圆柱齿轮的最大齿根弯曲应力增大了22.49%，最大齿面接触应力增大了10.94%；与渐开线标准直齿圆柱齿轮相比，大重合度直齿圆柱齿轮的最大齿根弯曲应力减小了17.08%，最大齿面接触应力减小了43.79%。结果表明，大重合度直齿圆柱齿轮的强度大幅提升，应用潜力巨大。

保持架是角接触球轴承的重要元件之一，其引导间隙和兜孔间隙设计不合理会导致轴承运动失稳与共振。针对上述问题，在理论分析的基础上，结合滚珠、保持架和滚道之间的动态接触与变形关系，在ABAQUS软件中建立了7005型角接触球轴承的显式动力学模型，并提取了特定工况下该轴承内圈、保持架与滚珠的动态响应曲线；同时，研究了不同引导间隙和兜孔间隙下保持架的打滑率、质心涡动速度偏差比和各阶振动模态的固有频率。为了验证所建立的角接触球轴承显式动力学模型的准确性，对高速角接触球轴承各元件线速度的仿真值与理论值进行了对比。结果表明：随着引导间隙的增大，保持架的打滑率、质心涡动速度偏差比和各阶振动模态的固有频率均减小，保持架的稳定性增强，但共振风险增大；随着兜孔间隙的增大，保持架的打滑率增大，质心涡动速度偏差比变化不明显，各阶振动模态的固有频率减小，保持架的稳定性减弱，共振风险增大。高速角接触球轴承各元件线速度的仿真值与理论值的最大误差仅为0.099 6%，验证了所建立的显式动力学模型的准确性。研究结果可为高速角接触球轴承保持架的优化设计提供理论依据。

杜仲具有很高的经济和药用价值，育苗时采用嫁接方法能够提高幼苗的成活率，从而获得具有较高药用价值的品种。但目前缺乏杜仲自动嫁接设备，育苗时多采用人工嫁接方法。针对人工嫁接作业存在劳动强度大以及长期工作时切削速度、嫁接成功率不稳定等问题，基于对杜仲人工嫁接技术的研究，设计了一种杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统，以提高切削速度和嫁接成功率。首先，基于机械设计原理，对杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的结构组成和工作流程进行了分析。然后，通过对砧木切削方式的分析，基于压切方式设计了矩阵式切削系统的切削机构和夹持机构，其一次可完成4行4列杜仲砧木苗的切削；同时，基于传统PLC （programmable logic controller，可编程逻辑控制器），对矩阵式切削系统的控制系统进行设计，其具有手动控制和自动控制两种模式。最后，利用设计的杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统进行切削试验，并与人工切削方法进行对比。试验结果表明：杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统运行稳定、可靠，能够实现手动控制和自动控制；在杜仲砧木苗大小合适的前提下，其切削速度可达517株/h，是人工切削速度的1.1倍，平均切削成功率可达92.58%，切削效果稳定，这在一定程度上提高了杜仲的嫁接成功率；操作人员的操作越熟练，该系统的切削成功率越高。研究结果可为嫁接机器人在植物切削、嫁接中的应用提供理论依据。

贯流式水轮机调速器的机械结构和液压系统设计具有一定的特殊性。为提高贯流式水轮机调速器的控制性能，以重庆潼南水电站的贯流式水轮机调速器为研究对象，对其机械结构和液压系统进行设计。首先，介绍了新设计的调速器液压系统的主要机械元件及其主要调节功能和特点。然后，重点分析了具有自复中功能的主配压阀和满足贯流式水轮机组关闭要求的事故配压阀的结构与功能；同时，提出了一种基于流量与压降关系的主配压阀选型设计方法，并对其衬套控制窗口的形状进行了分析。最后，通过调速器现场性能试验验证了其机械结构和液压系统设计的合理性。研究结果可为水轮机调速器及液压系统的设计提供参考。

氢化物气相外延（hydride vapor phase epitaxy，HVPE）工艺的关键是确保加热炉的温场恒定和高精度控制。由于HVPE生长设备温度控制过程涉及多个加热温区，以及温度测量元件和电阻加热炉温度传导引起的延迟，其温度控制存在超调过大、控制精度低和调节时间过长等问题。为实现HVPE生长设备反应室内温度的精准调控，将模糊逻辑应用到PID （proportion integration differentiation，比例积分微分）控制中，设计系统各温区的模糊自适应整定PID控制器。依据实际设备与相应技术要求，设计研发了一套基于PLC （programmable logic controller，可编程逻辑控制器）、温度控制电路以及模糊自适应整定PID控制的HVPE生长设备温度控制系统。Simulink仿真结果与实测结果表明，模糊自适应整定PID控制器可以应用于HVPE生长设备的温度控制系统，且控制效果较好。研究表明，所设计的温度控制算法与温度控制系统能够很好地满足GaN材料生长的工艺要求，具有一定的实用价值。

针对现有烫印设备存在自动化水平低和人机界面交互性差的问题，采用三维参数化设计方法对全自动烫印机的结构进行设计，以三菱新一代FX3GE系列PLC （programmable logic controller，可编程逻辑控制器）和T5L智能触摸屏为核心搭建了全自动烫印机的网络化控制系统，实现了伺服电机与气缸的高速、高精度驱动，PID （proportion integration differentiation，比例积分微分）温度控制以及多参数人机数据交互。针对传统固定路径顺序指令编程模式无法满足小批量定制化生产模式的要求的问题，提出了基于有限状态机（finite state machine， FEM）模型的全自动烫印机控制程序设计方法。首先，对全自动烫印工艺和运动工位的分布、数量和逻辑顺序关系进行功能规划与模块化设计，建立了层次化有限状态机模型；然后，根据状态迁移事件与状态转换条件构造了烫印动作的状态转换图；最后，结合图论思想，将状态转换图映射到邻接链表变量空间，并采用变量配置方式驱动邻接链表，从而完成对状态转换图的遍历和拓扑扩展。仿真结果表明，与传统的指令编程模式相比，基于有限状态机模型的全自动烫印机控制程序设计方法不仅提升了开发效率和组态化编程水平，有效降低了控制程序的维护成本，还保证了伺服电机与气缸的时序动作不会干涉和交叉，提高了控制系统的可靠性，具有广阔的工程应用前景。

针对传统差动式涡流探头几何尺寸大、缺陷检测灵敏度低的问题，在传统差动式涡流探头的基础上，设计了一种跑道型差动式涡流探头。它由激励线圈包裹2个尺寸相同、反向连接的感应线圈而构成。首先，利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了跑道型差动式涡流探头模型，比较了跑道型差动式涡流探头与传统差动式涡流探头涡流场分布的差异，并研究了在不同缺陷深度、不同扫查角度下2种差动式涡流探头的检测灵敏度。接着，制作了跑道型差动式涡流探头实物和碳钢板缺陷试件，利用试验测试的方法比较了跑道型和传统差动式涡流探头的检测灵敏度。试验结果表明，与传统差动式涡流探头相比，跑道型差动式涡流探头具有更紧凑的结构、更高的缺陷检测灵敏度。研究结果可为小尺寸、高精度差动式涡流探头的优化设计提供参考。

为研究轮式车辆的电涡流减振器在行进间冲击载荷下的动态特性，结合电涡流理论设计了一种永磁式电涡流减振器，并基于等效磁路模型和麦克斯韦方程分析了其导体筒表面空气间隙处磁感应强度与阻尼力之间的关系；同时，利用有限元法对永磁式电涡流减振器的静、动态磁场分布进行了研究，并分析了不同结构参数对其阻尼特性的影响及不同运动速度下的示功特性曲线。通过建立1/4车辆悬架动力学模型和基于高斯滤波白噪声的随机路面激励模型，对车辆行进间冲击载荷下永磁式电涡流减振器的动态特性进行了分析。结果表明：永磁式电涡流减振器的磁场在动态条件下会发生退磁以及磁感线趋速聚集现象，各结构参数对其阻尼特性的影响较大；永磁式电涡流减振器的响应速度快，压缩、复原阻尼力恒定且平稳，可以高效、快速地消除轮式车辆越野时受到的路面激励和车载武器射击时的冲击载荷，能够有效抑制车体振动。研究结果对提高轮式车辆的越野机动性以及车载武器的射击精度具有重要意义。