在云制造环境下，针对中小型企业加工后的板材余料造成极大资源浪费的问题，提出了一种基于语义相似度算法同时融入QoS（quality of service，服务质量）信息的分层次资源描述模型。首先，建立板材余料和板材加工设备资源的本体模型；然后，基于语义相似度算法对板材余料和板材加工设备的各个属性参数进行匹配，得到初选服务集合；最后，通过模糊QoS匹配算法将描述用户需求的自然语言转化成三角模糊数，得到服务设备的优选集合。实例仿真结果表明，所提出的方法将板材余料作为制造资源接入云制造平台，以服务的形式进行共享，增强了服务匹配过程的准确性和可靠性，实现了对板材余料和闲置的板材加工设备资源的合理调度和使用。研究结果可为云制造环境下余料和加工设备资源的匹配优选提供一种新思路。

针对目前采用交流变频电机驱动的海洋绞车主动升沉补偿方式存在起动电流大、效率低和能耗大等不足，提出采用开关磁阻电机（switched reluctance motor，SRM）驱动的主动升沉补偿控制方式。首先，建立了开关磁阻电机的数学模型；然后，结合海洋绞车主动升沉补偿的同步控制要求，提出了基于渐进稳态控制信号误差控制（gradual steady state control signal-error control， GSSEC）的开关磁阻电机调速控制方法，并分析了该控制方法的基本原理、具体设计方法及其控制参数的优化方法；最后，对开关磁阻电机调速控制方法的效果进行了仿真分析和试验验证。结果表明：基于GSSEC的开关磁阻电机调速控制方法不仅对时变给定转速有较高的跟踪精度，而且对负载扰动具有较强的鲁棒性，有效提高了海洋绞车主动升沉补偿控制的精度。研究结果对促进海洋绞车主动升沉补偿控制功能的应用具有重要意义。

机械零件的尺寸标注模式有多种。尺寸标注模式影响着机械产品的精度和制造成本。为获得零件尺寸合理的标注模式，建立了包含零件尺寸标注所有可能模式的装配尺寸联系路径图；以满足装配体功能尺寸形成路径最短为目标，基于装配尺寸链最短路径原则和最短路径问题的求解，通过2种方法建立了装配体功能尺寸最短路径生成树。功能尺寸最短路径生成树确定了该装配体所有零件唯一合理的尺寸标注模式。研究结果为零件尺寸标注的合理设计提供了新途径，且其易于计算机辅助实现。

针对现有图纸文本信息自动提取方法仅能提取单张图纸中的标题栏和明细表内容的情况，提出了一种面向多张CAD（computer aided design，计算机辅助设计）图纸的文本信息自动提取方法，并开发了相应的自动提取与校核系统。采用块表记录迭代器对多张CAD图纸中的所有属性块进行遍历，基于块名筛选得到图纸块及其插入点坐标和幅面，从而确定每张图纸的位置；根据多段线和属性块对多张CAD图纸的文本信息进行属性分类，通过构建窗口选择集来获取图纸中的文本信息并进行提取；利用数组形式输出所提取的文本信息并与原文件进行对比。最后，开发了一套面向多张CAD图纸的文本信息自动提取与校核系统，并通过对连接器电路图文本信息的提取和校核验证了所提出方法和系统的可行性。结果表明，所提出的方法为CAD图纸文本信息的提取提供了新的思路，所开发的系统为企业操作人员提取CAD图纸文本信息提供了新工具，可显著提高工作效率。

点云孔洞修补作为点云数据处理中的关键技术，直接影响点云的质量和完整性。利用遗传算法（genetic algorithm，GA）优化的BP（back propagation，反向传播）神经网络（简称GA-BP神经网络）是一种修补效果较好的散乱点云孔洞修补方法。但基于GA-BP神经网络的散乱点云孔洞传统修补方法的多个步骤需借助逆向软件通过人机交互的方式完成，导致修补过程繁琐且耗时较长。为此，提出了一种基于GA-BP神经网络的散乱点云孔洞自动修补方法。通过计算机编程将孔洞识别、孔洞区域插值和孔洞修补相结合，实现从残缺点云模型直接到完整点云模型的自动修补，无须进行复杂的人机交互和数据转换。实验结果表明，所提出的方法可有效避免因数据转换而造成的数据失真，减少了人机交互工作量，方便而高效地修补了散乱点云的孔洞，且得到的修补点云密度均匀，这对提高点云孔洞修补效率和质量具有重要意义。

风电齿轮箱的结构复杂且运行环境恶劣，是风电机组中故障率最高的部件，其性能直接影响风电机组的稳定性和安全性，严重时可能会造成财产损失甚至人员伤亡。为此，基于静电监测原理，采用多个静电传感器对风电齿轮箱摩擦磨损产生的二次效应同时进行监测；基于提取到的时域特征参数和复杂度度量参数，运用移动窗局部离群因子（moving window local outlier factor，MWLOF）算法分别对负荷试验和破坏试验中风电齿轮箱磨损状态的静电监测信号的变化趋势进行分析。结果表明：在负荷试验中，静电监测方法可在部分故障发生前提前监测到风电齿轮箱早期的性能退化；在破坏试验中，静电监测方法比振动监测方法提前200~1 000个样本点监测到风电齿轮箱的故障。研究表明，静电监测方法作为一种新型的状态监测技术，能够有效提高对风电齿轮箱磨损状态的监测能力，可对其早期故障的产生作出较准确的预警，这可为大型设备关键部件的状态监测提供参考。

在深水测试作业中，隔水管和测试管柱形成双层管柱结构，其在海流作用下发生耦合振动，存在安全隐患。为了研究海流流速对隔水管-测试管柱系统振动的影响，搭建了隔水管-测试管柱系统涡激振动的相似实验装置，开展在不同流速下隔水管-测试管柱系统涡激振动实验。实验中用应变片采集数据，用模态分析法处理实验数据，分析隔水管和测试管柱在横向和流向的应变、频率、位移标准差以及模态特征。结果表明：在海洋环境载荷作用下，隔水管与测试管柱发生接触和碰撞，导致测试管柱产生与隔水管类似的涡激振动，但隔水管的振幅明显大于测试管柱；当流速为0.5 m/s时，隔水管和测试管柱的振幅均显著增加，隔水管-测试管柱系统产生“锁定”现象；随着流速的增大，隔水管流向振动逐渐由较高频率主导，而测试管柱流向振动仍由较低频率主导。研究结果可以为深水测试作业过中隔水管振动的抑制提供参考。

为了解决双盘直槽研磨方法实施过程中的关键技术问题，针对圆柱滚子在研磨状态下的自转运动展开相关研究。首先，对圆柱滚子在研磨状态下的自转运动进行理论分析，得到了其稳定自转的条件。然后，基于ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件建立了圆柱滚子自转运动的动力学仿真模型，并以圆柱滚子与上、下研磨盘间的摩擦系数，下研磨盘V形槽半角，单个圆柱滚子所受研磨载荷及上、下研磨盘相对运动线速度为主要影响因素，以圆柱滚子的相对滑动率为评价指标，进行了计及因素间交互作用的正交试验。通过响应均值分析与方差分析，得到了可实现圆柱滚子稳定且连续自转的最优参数组合。最后，在自主设计的圆柱滚子自转运动试验平台上对最优参数组合的正确性进行了验证试验。试验结果表明，最优参数组合下圆柱滚子自转时的平均相对滑动率仅为0.30%，能够实现稳定且连续的自转，这充分证明了通过理论分析与正交试验得到的最优参数组合的正确性。研究结果证实了基于双盘直槽研磨的圆柱滚子自转运动的合理可行域，其对双盘直槽研磨方法的工程实践具有指导意义，为提高圆柱滚子批直径尺寸一致性奠定了基础。

针对单作用往复泵结构参数设置不合理导致的排量不均匀和活塞易损坏的问题，通过推导单作用往复泵排量不均度及活塞惯性力的解析式，得到排量不均度随往复泵缸数及曲柄连杆比的变化曲线，以及活塞惯性力随曲柄转角及曲柄连杆比的变化曲线，并提出了曲柄连杆比的优化建议。结果表明：排量不均度随着曲柄连杆比的减小而减小，曲柄连杆比的变化对单缸单作用往复泵排量不均度波动的影响最大可达60%；曲柄连杆比对排量不均度的影响随着往复泵缸数的增加而减小；活塞惯性力也随着曲柄连杆比的减小而减小，且其变化曲线的2个波峰逐渐向中间靠拢，直至合并；当曲柄连杆比降低到0.3以下时，活塞惯性力变化曲线在1个周期内的波峰减少到1个。研究结果可为单作用往复泵结构参数的设计和活塞疲劳分析提供理论依据。

为了提高全地形移动机器人车身结构的力学性能，提出了一种结合多体动力学、有限元分析与正交试验的优化方法。针对全地形移动机器人的满载弯曲和扭转工况，利用多体动力学分析获得了该移动机器人车身在运动中所受的外部载荷，并结合有限元分析获得了车身结构的动态力学性能参数，以验证极限工况下车身结构的力学性能。基于四因素三水平正交试验，研究了底板厚度、悬架支座厚度、悬架支座加强筋长度和增高支柱加强筋厚度对全地形移动机器人车身最大应力、最大变形量和质量的影响。利用灰色关联分析法对正交试验结果进行分析。通过对比各因素的灰色关联度获得了全地形移动机器人车身结构的最佳优化方案：底板厚度为5 mm、悬架支座厚度为2 mm、悬架支座加强筋长度为65 mm和增高支柱增设2 mm厚加强筋。分析结果表明，相较于原始方案，优化后全地形移动机器人车身在质量减小6.93%的同时，最大应力减小了12.47%，最大变形量减小了41.69%，说明该优化方案可在提高车身结构性能的同时减小车身质量和降低整车功耗，验证了所提出的优化方法的有效性。研究结果可为机械结构的动态力学性能分析与优化提供参考。

为研究某磁悬浮列车辅助变流器的轴流散热风机的失效问题，提出了一种基于现场测试、有限元仿真与代理模型的失效分析与优化设计方法。首先，通过振动路谱测试与模态仿真分析剖析了轴流散热风机的失效机理，确定了由安装结构刚度不足和转速下降引发的局部共振为风机失效的根本原因。然后，基于模态分析结果，设计了轴流散热风机安装网斜向筋局部加强改造方案，并采用加速度谱响应分析对改造后的风机进行了性能评估。接着，利用代理模型拟合了安装网加强结构特征参数与轴流散热风机振动响应特性之间的映射关系，并以避免共振、降低振动烈度和改造成本最低为优化目标，通过智能算法获得了最优改造方案。最后，通过振动性能评估试验和长寿命振动试验验证了最优改造方案的可行性。结果表明，最优改造方案能有效地解决轴流散热风机的局部共振问题，提高了其使用寿命。研究结果可为轴流散热风机的共振失效分析与优化设计提供参考，具有重要的工程实践价值。

功能梯度材料因其内部组分沿着空间位置连续变化，能有效缓解热应力集中等现象，在高超音速飞行器的热防护系统设计中具有良好的应用前景。以金属-陶瓷功能梯度板为研究对象，探讨在不同热环境下功能梯度板热传导、热变形和热应力的变化规律。首先，基于功能梯度材料的幂律分布模型，分析了线性温度场、正弦温度场、热流温度场和非线性温度场四种热环境对功能梯度材料物理特性的影响。其次，基于有限元分层建模思想，通过Python编程建立了功能梯度板的有限元模型。仿真分析了在热流温度场下功能梯度板在不同板厚、陶瓷体积分数指数和热流密度等参数条件下热传导、热变形和热应力的变化规律。最后，探讨了基于参数调控的改善功能梯度板热防护性能的方法。结果表明：用功能梯度材料设计飞行器热防护板时，陶瓷体积分数指数应小于5.0；在热流温度场下，功能梯度板的厚度为7.2~9.0 mm、陶瓷体积分数指数为1.0~2.5时，可实现功能梯度板的轻质和高效隔热；热流密度一定时，调整飞行时间对确保飞行器安全至关重要；热流密度应限制在5~10 mW/mm²以控制功能梯度板的变形。研究结论对于热流温度场下金属-陶瓷功能梯度板的热防护设计具有参考价值。

海上风电基础承载装备的结构越来越复杂且越来越重，建造工艺与建造路径等不同会导致其残余应力不同，从而影响其安全性和可靠性。为此，基于有限元分析方法，分别采用梁单元与壳单元建立了不同的海上风电导管架计算模型，并运用单元生死技术模拟海上风电导管架的立式与卧式陆地建造过程。由模拟结果可知：使用壳单元能够更加准确地模拟海上风电导管架管件连接处的应力状态；采用立式建造工艺能够减小建造过程中海上风电导管架重点部位的应力并保持其稳定，且建造完成后海上风电导管架的残余应力更小。研究表明，大型海工结构的重点部位应使用能够反映实际结构特征的壳单元进行模拟，在陆地建造过程中立式建造工艺更为安全，这可为海上风电基础承载装备陆地建造工艺的选择提供依据。

针对传统的刚性机器人在辅助人体康复训练时存在康复效率低、易造成人体二次损伤等问题，依据人体手指结构及其关节的运动范围，提出了一种由硅胶材料制成的三关节式软体驱动器。首先，根据 Yeoh 超弹性材料本构模型和虚功原理，在理想条件下建立了软体驱动器气囊的弯曲角度与输入气压之间的非线性数学关系，进而研究在一定气压下驱动器不同结构参数对其弯曲性能的影响；接着，通过有限元模型仿真得出了驱动器壁厚、底层厚度和腔室外直径对驱动器弯曲性能影响的显著性排序；最后，通过 3D 打印及模塑成型工艺，制作了三关节式软体驱动器，搭建了软体驱动器弯曲性能测试平台以测试其弯曲性能。结果表明：随着输入气压的增大，软体驱动器弯曲角度的理论计算结果与实验结果的相对误差逐渐减小，当气压高于20 kPa时，其最小相对误差为1.48%；当腔室内部气压为50 kPa时，软体驱动器输出力为0.45 N。可将软体驱动器应用于人机交互的辅助康复领域，后期有望应用于农业和生物医学领域。

动物行为信号的同步可视化展示为分析和理解动物的运动行为特征提供了有效手段。为了便于直观分析人的运动姿态与脚底接触力的关系，搭建了“行为-力”同步可视化展示系统。首先，利用LabVIEW软件实现了基于UDP （user datagram protocol，用户数据报协议） 的多通道三维力传感器和Kinect相机的信号采集；其次，提出了一种基于插值的数据同步处理方法，实现了运动姿态信号与脚底受力信号的同步处理；然后，采用多线程技术构建了同步实时可视化的虚拟展示系统，实现了运动轨迹、运动姿态和脚底接触力的同步实时展示；最后，通过实验验证了该展示系统具有较好的实时性。研究结果表明，“行为-力”同步可视化展示系统是研究动物运动行为特征的有效装置。

为了缩短机器人全向移动导航系统的开发周期，提高代码复用率和移植性，选用具有良好开源性并采用分布式架构的机器人操作系统（robot operating system，ROS）作为研发平台；鉴于传统总线协议不统一、实时性差及应用较为复杂，提出采用Linux下的IgH主站实现控制器和驱动器之间的EtherCAT （ether control for automation technology，用于控制自动化技术的以太网）通信。首先，选取合适的任务周期并将IgH主站与ROS平台进行融合；然后，对全向移动平台进行运动学建模，建立了URDF （unified robot description format，统一的机器人描述格式）模型和里程计模型，并结合ROS提供的Navigation功能包集，设计了开放性好、代码复用率高且性能稳定的全向移动导航系统。研究表明，该系统结构简单、同步性好、成本低且能有效实现自主精准导航功能。研究结果为实现全向移动机器人的精准控制提供了新方法。

为了探索和丰富旋转超声波马达的结构，使其满足响应精准且速度快以及控制简便的要求，设计了Y形旋转超声波马达，并对其结构及动态特性进行了分析。Y形旋转超声波马达将3组压电陶瓷片的横向振动复合成驱动足端面对转子的微幅驱动，通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子顺时针或逆时针旋转。运用Workbench软件中的Design Exporation组件对Y形旋转超声波马达定子组件的结构尺寸进行了优化设计，提升了定子组件的性能。构建优化后Y形旋转超声波马达定子组件的有限元仿真模型，并通过模态分析获得了定子组件工作所需的固有振型，通过谐响应分析获得了定子组件的幅频特性曲线，通过瞬态分析获得了1个激励周期内定子组件的振动模态，验证了Y形旋转超声波马达的驱动机理。结果表明，Y形旋转超声波马达压电陶瓷片表面施加电压的最佳频率为20 739 Hz，对应的驱动足端面的振幅为6.95 μm。Y形旋转超声波马达结构简单且具有对称性，能效利用率高，对拓宽超声波马达的应用领域有重要参考价值。