产品的制造和装配效率与产品模块划分方案有关。为了进一步提高复杂产品的制造和装配效率，提出了一种新的产品模块划分和架构评价方法。首先，利用复杂产品已有的模块划分方案，建立产品各模块中零件间的相关度矩阵，将各相关度矩阵（子矩阵）组合到一起并添加模块间的相关度值，得到整个产品零件间的相关度矩阵；其次，基于信息熵理论，提出成本均衡度和复杂度均衡度的概念，并结合模块度、最小描述长度，通过熵权法算得各评价指标的权重，得到综合评价指标并对不同的模块划分方案进行评价；最后，以盾构螺旋输送机模块划分为例来验证所提出方法的合理性和可行性。通过盾构螺旋输送机已有的模块划分方案建立其零件间的相关度矩阵，利用层次聚类得到其不同的模块划分方案，并对其综合评价指标进行比较，从中选择一种最优的模块划分方案来表达盾构螺旋输送机的产品架构组成。基于模块度和均衡度的产品架构评价方法可以对复杂产品的架构进行有效、合理的评价，为提高复杂产品的制造和装配效率提供理论依据。

为充分利用本体概念之间隐含的语义关系，以支持产品功能创新设计过程，提出了一种基于网络表示学习的本体语义挖掘与功能语义检索方法。首先，基于本体中确定的语义关系，利用网络表示学习挖掘隐含的语义关系；然后，基于语义类比的向量运算，建立本体概念之间潜在的功能语义关系，并对功能语义向量进行表达；最后，通过功能语义向量的相似度计算实现由用户功能需求向跨领域功能性设计资料的扩展，并建立相应的设计资料检索方法和流程。产品设计示例表明，所提出的本体语义挖掘与功能语义检索方法有利于从产品功能角度获取跨领域设计知识，可为设计人员提供更多的灵感。

永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点，广泛应用于不同领域。在永磁同步电机使用过程中，不可避免地会出现各种故障，例如退磁故障、电路故障、转子偏心故障和轴承故障等。基于永磁同步电机的结构和工作原理，对其各类故障的产生原因和诊断方法进行总结，并分析了模型构建和信号处理在故障诊断中的优势。研究结果为永磁同步电机故障诊断提供了一定的理论依据。

传统的螺旋滚筒式钴结壳采矿头在实际开采过程中会使较多的废石混入。为了能在复杂多变的海底矿区实现对钴结壳的精确剥离以及提高开采率，有必要设计一种可高效开采的采矿头。首先，针对海底钴结壳分布的地貌特征，提出了采矿头设计的基本要求并设计了一种悬立式采矿头，同时建立了其参数化设计的数学模型。然后，基于所设计的悬立式采矿头，以降低钴结壳破碎过程中的比能耗为目标，以采矿头截齿不发生干涉、合理布置截距、钴结壳产能达标及最大功率限制等为约束条件，建立了悬立式采矿头结构参数和工作参数的优化模型，并采用遗传算法进行求解。最后，为了验证优化模型的合理性，利用ABAQUS软件模拟了悬立式采矿头破碎钴结壳的过程，得到了优化前后采矿头破碎钴结壳的比能耗，并基于载荷波动特性对采矿头的稳定性进行了对比评价。理论计算结果表明，优化后悬立式采矿头破碎钴结壳的比能耗较优化前约降低了44%。仿真模拟结果表明，优化后悬立式采矿头破碎钴结壳的比能耗和所受载荷的波动系数较优化前分别降低了18%和31.3%，验证了优化模型的有效性。所设计的悬立式采矿头不仅在能耗、载荷波动方面有显著的改善效果，且能更好地适应海底钴结壳的分布特征，这可为深海钴结壳商业化开采的实现提供重要依据。

针对扫地机器人越障高度较低的问题，设计了一种触发式液压辅助越障机构。该机构无须额外驱动即可使机器人在正常行驶和越障模式之间来回切换，减小了控制单元的复杂度。首先，介绍了机构各模块的结构组成和工作原理；其次，利用UG软件绘制了辅助越障机构的三维结构图，分析了驱动轮在越障临界点的受力，给出了辅助驱动力的计算公式；再次，对其易损件——液压杆进行静力学分析，并对装有触发式液压辅助越障机构的扫地机器人进行了越障仿真，从理论上验证了该机构的可行性；最后，根据扫地机器人的产品参数，结合实际工况，制作了辅助越障机构，并将其搭载在扫地机器人上进行实验。理论分析与实验结果表明，触发式液压辅助越障机构能提供足够的辅助驱动力，提高了扫地机器人的越障高度，有效解决了扫地机器人在越障时因动力不足而被卡死的问题。研究结果可为扫地机器人的结构优化提供参考。

针对目前煤矿井下掘进机截割时关键零部件易损坏及截割性能不佳，但难以在实验室内进行相关研究的问题，以EBZ160掘进机为原型，基于相似理论制造了实验样机，并提出一种主动激振截割方式。首先，基于掘进机实验样机的工作原理和动力学理论，利用ANSYS Workbench软件对实验样机进行模态仿真分析，并基于力锤法进行了模态试验，得到了空载状态下实验样机的前6阶固有频率与模态振型。然后，以截割比能耗为评价指标，对有无主动激振截割方式下掘进机实验样机的截割性能进行研究。结果表明，掘进机实验样机前6阶固有频率的仿真值与试验值的最大相对误差为9.92%，验证了模态仿真分析结果的准确性，可为后续激振频率的选取提供依据；无主动激振时掘进机实验样机的截割比能耗为0.077 6 kW·h/m³，有主动激振时为0.051 2 kW·h/m³，说明所提出的主动激振截割方式的性能较好。研究结果为掘进机截割方式的拓展提供了新方向，并为掘进机的结构优化及截割效率提升提供了实验依据。

织构化滑动摩擦副表面织构的排布方式、尺寸和形状是决定其压力分布和承载力的关键因素。为改善织构化滑动摩擦副表面的润滑与承载特性，提出了一种变织构（尺寸多样的织构）结构。以球冠形织构为研究对象，建立不同排布方式的单一尺寸织构及方形排布变织构的CFD （computational fluid dynamics，计算流体力学）仿真模型，分析了排布方式不同的单一尺寸织构表面的压力分布和承载力；在此基础上，研究了半径两端小中间大（A型）、半径两端大中间小（B型）、深度两端浅中间深（C型）及深度两端深中间浅（D型）等4类方形排布变织构表面的压力分布和承载力。结果表明：方形排布的单一尺寸织构的润滑性能最强且承载力最大，随着错位角的增大，织构间的协同润滑作用减弱，承载力减小；单一尺寸织构的压力分布曲线为周期性波动曲线，由多个单织构的压力分布曲线叠加而成，而方形排布变织构因前后织构的协同润滑作用而导致其压力分布曲线的趋势线近似呈正弦或余弦规律波动；在4类方形排布变织构中，B型变织构的承载力大于A型，D型大于C型，说明两端织构的半径越大、深度越深或该类织构的占比越大，则变织构的承载力越大。由此可见，合适的变织构比单一尺寸织构更有助于提升摩擦副表面的润滑与承载性能。

针对在铝内胆复合材料储氢瓶（又称为“III型储氢瓶”）设计阶段难以根据设计的气瓶爆破压力和疲劳寿命确定内胆厚度和纤维应力比的问题，研究了III型储氢瓶爆破压力与疲劳寿命的关系。首先，构建了III型储氢瓶的有限元计算模型，提出了基于有限元的气瓶爆破压力和疲劳寿命的预测方法，分析了在内胆厚度和纤维应力比两个因素影响下III型储氢瓶的应力分布状态。其次，研究了内胆厚度和纤维应力比对III型储氢瓶爆破压力和疲劳寿命的影响规律，结果表明：在一定的内胆厚度和纤维应力比范围内，增大内胆厚度，气瓶爆破压力提升较小；增大纤维应力比，则气瓶爆破压力提升较大；III型储氢瓶对数疲劳寿命与内胆厚度和纤维应力比均基本呈线性关系。最后，基于纤维缠绕压力容器爆破压力计算公式和III型储氢瓶对数疲劳寿命拟合关系式，得到了不同条件下III型储氢瓶爆破压力与疲劳寿命的关系式。研究结果可为III型储氢瓶结构的优化设计提供参考。

随着川渝地区的钻井深度不断增大，管柱在下入过程中易受到井内岩屑的影响，进而出现卡钻现象，甚至发生钻具断裂等重大事故。为了提高川渝地区页岩气水平井内的岩屑运移能力，设计了2种新型钻杆——悬浮式铝合金钻杆和新型脉冲射流钻杆，并与普通钻杆进行对比分析。首先，对3种钻杆的结构与携岩原理进行理论分析。然后，在ANSYS软件中建立3种钻杆的携岩仿真模型，通过采用不同的网格划分方法来验证各仿真模型的网格无关性与收敛性，并利用搭建的室内岩屑运移装置验证了仿真模型的准确性。最后，在岩屑粒径、钻井液入口排量和井斜角等因素改变的情况下，对3种钻杆的携岩能力进行了仿真分析。结果表明，悬浮式铝合金钻杆和新型脉冲射流钻杆的携岩能力相比普通钻杆有所提高。研究结果对提高水平井内的岩屑运移速度、改善井眼清洁度和减少岩屑床生成具有重要意义。

接触件是电连接器的核心元件，因插拔产生的磨损会导致其电接触性能退化甚至失效。针对上述问题，提出了一种电连接器插拔磨损检测方法。基于设计的检测装置开展电连接器插拔试验，并在试验过程中对电连接器接触件进行定时红外热成像检测；同时，分析插拔过程中电连接器接触件间磨屑的分布特征及变化规律，并通过表面形貌分析和能谱分析来验证红外热成像分析结果。研究发现，电连接器插孔簧片的主要磨损区域为端部，其根部有少量磨屑且聚集区域相对分散；随着插拔次数的增加，电连接器接触件间的磨屑逐渐增多，磨损区域面积逐渐增大，且磨屑聚集的位置也随着插拔运动发生变化，随机地分布在接触件间；因存在加工误差，电连接器的插孔簧片非对称分布，使得不同插孔簧片的磨损程度存在差异。结果表明，所提出的检测方法可有效观察电连接器接触件插拔磨损的变化过程，可作为电连接器磨损程度在线监测及剩余寿命预测的有效手段。研究结果可为电连接器性能退化机理和失效分析提供依据。

针对航空发动机内部空间狭窄难以进行人工检修，以及传统连续体机器人承载能力弱等问题，设计了一种用于航空发动机叶片检测的机器人。机器人主体由多节关节臂组成，关节臂通过万向节连接，由绳驱动；在机器人末端安装连续体。为了提高机器人末端位置精度，开展了闭环控制器的设计和研究。建立了关节臂运动学模型，推导了驱动绳绳长变化量的计算公式，介绍了将惯导传感器读数转换为关节角的方法。采用卡尔曼滤波器以减小测量噪声，得到关节角的最佳估计值，并将其作为反馈量。基于多维泰勒网优化控制（multi-dimensional Taylor network optimal control，MTNOC）设计了闭环控制器，分析了MTNOC控制器的特点及优势，并通过仿真和实验来验证MTNOC控制器的有效性。结果表明，卡尔曼滤波器能有效减小测量噪声；MTNOC控制器比PID控制器具有更好的适应性和动态特性，使关节臂在状态变化较大的瞬间也具有较快的响应速度。在MTNOC控制器的控制下，叶片检测机器人的末端位置精度得到提高，从而提高了航空发动机叶片检测结果的准确性和可靠性。

为了实现自主水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）稳定、准确、高效地完成水下对接，提出一种导向罩开合式水下对接装置。针对该装置对接结构的特征所决定的AUV入坞运动的控制要求，考虑到在入坞阶段前向运动起主导作用，分别建立了在静对接、悬浮对接和拖曳动对接三种应用场景下AUV对接系统的动力学仿真模型，重点分析了AUV对接系统在对接时受到的水动力和碰撞力。基于ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical system，机械系统动力学自动分析）和控制仿真软件MATLAB/Simulink联合搭建的水下对接仿真系统，进行在不同接驳控制方案下静对接、悬浮对接和拖曳动对接效果的仿真分析与对比。分析结果表明：在位置-速度闭环控制下，对接能耗、碰撞次数和最大碰撞力均为最小，对接耗时比传统的位置闭环控制减少约50%；在拖曳动对接场景下，在位置-速度闭环控制下对接系统实现了良好的变速跟踪，有利于AUV快速对接。该AUV水下对接系统适用于不同的对接场景，方便无人艇搭载并对AUV进行布放与回收，有利于革新海洋无人系统跨域协同作业模式。

针对现有金属管道弱磁信号采集方法的数据处理烦琐问题，基于弱磁信号检测技术，利用HMC1001、HMC1002磁阻传感器和STM32F407芯片，搭建了一套集数据采集、数据处理和数据分析于一体的弱磁信号采集系统。首先，介绍了弱磁信号的采集和传输过程；然后，对弱磁信号采集系统的硬件进行了设计，并引入滤波算法和压缩算法，编写了相应的数据处理与分析程序。通过设计的硬件电路和数据处理与分析程序，实现了金属管道弱磁信号的采集、传输、滤波、压缩、存储和实时显示等功能。现场验证结果符合所设计的弱磁信号采集系统的预期，表明该系统具有实用价值。

针对传统建筑能耗监测系统存在采集单元功耗高和布线复杂的问题，设计了一种低功耗的无线监测系统。所设计的监测系统包括采集单元、集中器、监测中心和通信网络四部分。其中：采集单元主要由计量电路和BLE（Bluetooth low energy，低功耗蓝牙）通信电路组成，其通过计量电路采集用电设备的能耗数据，并通过BLE通信电路将处理好的能耗数据发送至集中器；集中器主要由BLE通信电路和Wi-Fi通信电路组成，其通过BLE通信电路接收采集单元计量的能耗数据并进行整合、处理，然后通过Wi-Fi通信电路将能耗数据转发至监测中心；监测中心采用B/S（browser/server，浏览器/服务器）架构进行设计，其通过监测界面显示能耗数据并将数据保存在数据库中。所设计的监测系统通过采用BLE和Wi-Fi的通信方式降低了采集单元的运行功耗和布线复杂度，并延长了通信距离；基于B/S架构设计的监测中心可实现跨平台运行，提高了系统的灵活性。测试结果表明，所设计的监测系统的计量偏差率低于5%，通信成功率高于98%，且能够及时监测用电设备的耗能状况，具有较高的实用价值。

在川渝地区复杂难钻地层的钻井勘探中，常规物探钻头存在破岩效率低、钻进速度慢、钻头使用寿命短、作业成本高等不足。因此，设计了棱锥齿和半抛齿两种新型硬质合金齿，并结合这2种齿的结构和工程实际设计了棱锥齿-半抛齿物探钻头，在钻头中间端面布置棱锥齿，边缘锥面均匀布置半抛齿。分析了棱锥齿和半抛齿的破岩机理，并采用有限元仿真方法，开展了棱锥齿与锥形齿、半抛齿与球形齿破岩的对比研究。结果表明：在冲击载荷和钻压作用下，相比于锥形齿，棱锥齿在岩石内部产生的应力更为集中；相比于球形齿，半抛齿切削刃切削挤压岩石时，在接触区域产生的应力更为集中；棱锥齿和半抛齿更容易破碎岩石，其破岩效率得到提高。开展了棱锥齿-半抛齿物探钻头和常规物探钻头的破岩仿真。结果表明：与常规物探钻头相比，棱锥齿-半抛齿物探钻头的钻进速度提升了38.3%，钻头的轴向加速度波动幅度减小了13%。研究结果可为棱锥齿-半抛齿物探钻头的研发提供理论支撑。