针对混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，提出了一种基于连续顶点分区的路径规划算法。首先，采用基于哈密顿回路的连续顶点分区方法，将打印区域划分为多个连续的区域，以确保在打印过程中打印喷头不会多次经过同一顶点，从而避免了重复打印和成形质量差的问题。然后，使用遗传算法搜索每个区域，通过迭代和优化来确定最短的打印路径。实验结果表明，与其他路径规划算法相比，所提出的算法能够显著减少打印喷头的空行程和启停次数，且缩短打印时间10%以上，有效地提升了混凝土构件的成形质量与打印效率。基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法通过有效划分打印区域、智能搜索最短路径以及合并优化路径的方式，解决了混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，这可为混凝土3D打印技术的发展和应用提供有力的技术支持。

风电叶片是风力发电机的核心部件，叶片螺栓不仅是承受复杂应力的零件，也是承受最高负载的零件。为避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失，设计了一种基于超声导波的在役螺栓轴向应力测量系统，可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量。首先，通过数值计算得到超声导波群速度频散曲线，基于胡克定律和声弹性效应建立了螺栓轴向应力与超声导波声时的线性数学模型，并在COMSOL软件中通过仿真验证了单纵波换能器实现超声导波应力测量的有效性。然后，针对超声导波回波信号模态混叠以及实际测量中噪声对超声导波声时测量结果的干扰，利用基于回波补偿的降噪算法实现了对实际测量信号的降噪处理，并采用经验小波变换算法对超声导波回波信号进行了模态分解，利用互相关法得到超声导波模态的精确声时。最后，通过实验测试完成了18种型号的螺栓在30%~90%屈服强度内的轴向应力的精确测量，相对测量误差小于2%。研究结果有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

为解决现有翼型几何参数化描述方法优化设计效率低、计算工作量大的问题，提出了一种基于深度学习的翼型参数化建模方法。该方法以伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）翼型数据库中翼型上下表面坐标点转化的翼型二维图像作为输入，首先使用卷积运算提取大量翼型图像的几何特征，然后通过多层感知机对提取的几何特征进行分类和压缩，将翼型形状压缩成若干个简化的拟合参数，最后通过解码器恢复翼型图像并输出翼型上下表面的点坐标。在此基础上，探讨了拟合参数数量对翼型几何精度的影响，确定了含6个拟合参数的卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）结构，并基于计算流体力学数值仿真验证了所提出方法的拟合精度。最后，开发了可视化翼型几何设计软件，实现了拟合参数的调整与修正，并分析了各拟合参数对翼型形状的影响规律。结果表明，6个拟合参数均会对翼型形状产生全局影响，单独或联合调整6个拟合参数可获得新的翼型设计空间。研究结果可为翼型的优化设计提供技术支持与理论参考。

经典的断裂相场法是基于脆性断裂理论建立的变分方法，因此其无法准确描述复合材料的准脆性断裂行为。基于此，提出了一种多相场模型来描述纤维增强复合材料的多模式内聚断裂行为。通过对各向异性相场驱动力和损伤本构关系的合理定义，提出了一种混合型内聚断裂相场模型，并通过推导得到了相应的演化方程与强度准则。采用该模型进行了3种复合材料板的裂纹扩展及失效仿真，结果表明，所提出的多相场模型能够有效模拟复合材料的多模式内聚断裂行为，具有较高的应用价值。

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题，参照海龟与山羊的生理结构，设计了一种四足仿生移动机器人。首先，根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点，为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境，提高了机器人的运动性能。然后，对机器人支腿进行了动力学分析，通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后，通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明，所设计的机器人结构稳定，步态规划合理，可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

经呼吸道活检是肺结节诊断中较为常见的手术，但由于呼吸道疾病存在传染风险以及手动操作时关节受限等，医工结合的诊疗方式逐渐成为发展趋势。为实现柔性体在支气管腔道内复杂弯曲动态环境下灵活运动、精准定位与稳定介入，采用主从协同式远程控制机器人机构设计，模拟传统手术中医生的操作习惯，设计并搭建能够操控支气管镜、活检钳的集成机构原理样机，以实现经支气管进行微创诊疗的双器械协同操控。然后，基于Cosserat杆理论，利用MATLAB软件对机器人柔性末端执行器的力-位映射关系、位姿和工作空间进行仿真求解，并通过实验分析机器人柔性末端执行器在经支气管的远程微创活检手术中的真实位姿以及机器人的实际运行效果，验证了仿真结果的准确性。研究结果可为经自然腔道活检术的多器械协同控制提供理论基础。

探测距离和测距精度是雷达的关键性能指标，在实际服役工况下受雷达系统内部信号传输损耗、外部信号干扰等不确定性因素的影响较大，提高其准确性已成为雷达研究领域的重要课题。为了评估上述不确定性因素对雷达性能的影响程度，开展了雷达探测距离和测距精度的不确定性分析。首先，建立了考虑信号传输损耗和信号干扰的雷达探测距离和测距精度模型；其次，采用区间模型量化不确定性参数，实现内外部参数统一框架下的不确定性度量；然后，构建准确的探测距离和测距精度响应面模型，并采用Sobol'全局敏感性分析方法实现多维参数对探测距离和测距精度影响的排序；最后，采用子区间分解分析方法获取了雷达探测距离和测距精度区间，并与通过蒙特卡洛模拟得到的结果进行对比，验证所提方法的有效性。将雷达探测距离和测距精度设定合理的容限与阈值，可提高雷达性能分析效率，降低性能分析成本。

集中式传动系统布局紧凑，部件间距小，因此对其NVH（noise, vibration, harshness，噪声、振动与声振粗糙度）控制提出了更高要求。以某工程机械的集中式传动系统为研究对象，首先，进行了其振动噪声测试，并分析了齿轮微观修形原理；其次，考虑了系统模态共振与齿轮啮合的相互耦合，建立了该传动系统的有限元模型并进行仿真，结果显示，齿轮副接触斑点和模态的仿真结果与测试结果一致，验证了建模方法的可行性；接着，基于遗传算法求解了齿轮微观修形参数，实现了齿轮微观修形的最优设计，并通过模态优化来避免系统共振；最后，进行实验验证，结果表明，齿轮修形后传动系统的噪声降低至95.2 dB，比修形前下降了4.8 dB。采用基于遗传算法的齿轮微观修形和模态优化方法可以降低传动系统的振动噪声，这为集中式传动系统的NVH控制提供了一定参考。

铺设于海床中的海底管道常因洋流冲刷、船舶锚拽等自然或人为因素而处于悬空状态，易造成管道变形、腐蚀、损伤和开裂泄漏等问题，严重影响管线安全。针对DN200海底管道的悬空内检测，设计了一种内检测机器人并对其进行了动力学分析。同时，联合ANSYS与ADAMS软件建立了柔性管道-土耦合模型，开展了悬空管道内检测仿真分析。采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对内检测机器人在复杂激励耦合条件下的振动响应信号进行处理，通过分析机器人的振动加速度实现了对悬空管段的有效识别。研究结果为油气管道悬空内检测提供了新思路。

利用老化箱对机械电子元件进行老化筛选，能有效提高产品的可靠性。老化箱内部温湿度场的均匀性决定了其整体性能，这对老化箱功能有至关重要的影响。为了提高老化箱的性能，基于流体力学原理，利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）仿真软件对老化箱简化模型进行仿真模拟，并根据仿真结果确定老化箱内部速度场与温度场的分布情况，以优选不同送风温度、送风速度和送风角度组合下的送风方案。仿真试验采用正交试验法，以送风温度、送风速度和送风角度为试验因素，以能量利用系数、温度不均匀系数和相对湿度不均匀系数为评价指标。通过对仿真试验结果进行极差和方差分析可知，送风角度对能量利用系数的影响最显著，送风温度对温度不均匀系数和相对湿度不均匀系数的影响最显著。针对3个评价指标，得到3种最优方案：送风温度为90 ℃、送风速度为10 m/s、送风角度为0°，送风温度为90 ℃、送风速度为12 m/s、送风角度为-10°，以及送风温度为90 ℃、送风速度为8 m/s、送风角度为0°。最后，开展了老化箱内部温湿度测量实验，并与仿真结果进行了对比。结果表明，仿真结果与实验结果的相对误差较小，均在合理范围内，验证了仿真试验的可靠性和有效性。研究以提高老化箱性能和能量利用率为导向，可为同类老化箱的设计及其送风参数的设置提供参考。

针对刮研表面微观特性和功能机理研究中缺少表面形貌量化表征方法的问题，采用3D-motif法对刮研表面形貌进行表征。使用LI-3型接触式三维表面形貌测量仪对刮研表面进行测量，并利用三维点云数据生成刮研表面的二维灰度图像。然后，根据3D-motif法中集水盆地的定义，采用分水岭算法对刮研表面的灰度图像进行motif分割与合并。以不同精度等级的刮研表面的整体纹理区域motif分割结果为对象，定义了特征显著度并提取计算了刮研表面在2种不同面积尺度（25 mm²和0.25 mm²）上的深度、面积、方向角、各向异性率、扁平系数和特征显著度等6项motif参数。结合部分motif参数的分布情况和motif数量的变化趋势，从形貌特征的尺寸和形态两个方面对刮研表面进行了表征和分析，实现了以较少参数完整表征刮研表面的三维形貌。研究结果可为后续刮研表面微观特性的深入分析提供理论基础。

随着汽车制造产业的快速发展，车型迭代和零部件更新速度加快，汽车零部件的生产须快速响应市场需求。超声波焊接工作站是一种自动化焊接设备，目前尚存在通用性不足、柔性低和智能化程度不高的问题。为此，设计和开发了一种柔性智能超声波焊接工作站。以模块化设计的方式构建了工作站物理系统，实现了工作站对不同汽车零部件的通用性；采用多种可切换的柔性组件，来提高焊装设备的柔性；集成和应用智能化技术，以提高工作站的智能化水平，提高设备的易用性。该工作站的技术参数优于国内同类产品，并在具体应用中实现了高效、智能和柔性生产。研究结果对推动汽车制造业的产业升级具有重要意义。

牙轮钻头在深井钻进时会受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用，直接影响密封圈的使用寿命，进而影响钻头寿命。为此，进行了牙轮钻头密封试验技术研究。首先，设计了牙轮钻头密封试验机，设计了试验机各功能模块；其次，对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈在多因素影响下的密封性能进行了有限元分析，同时结合接触应力评判准则和von Mises准则对密封圈性能进行了评价和对比；最后，进行了密封圈在多因素作用下的寿命测试实验，并将实验结果与仿真结果进行了对比。实验结果验证了试验机进行牙轮钻头密封试验的可行性及可靠性。所设计的牙轮钻头密封试验机能预测牙轮钻头密封圈的使用寿命，具有广阔的工程应用前景。

针对煤矿履带掘进机器人在行驶过程中难以获取履带载荷的问题，基于电阻应变片的应变效应和测量电路，设计了一套适用于采集履带行驶结构动态特性的四通道无线应变采集卡。首先，分析了应变采集卡的电路和工作原理。然后，将2对应变片对称布置在试样板中，以DH5902N坚固型数据采集分析系统所采集的应变数据作为标准，通过仿真与试验相结合的方法对应变采集卡4个通道的灵敏度分别进行了标定。最后，将应变采集卡集成封装后内置于履带行驶结构中，并探讨了应变采集卡在封装环境下连续工作时的温度变化规律。结果表明，所设计的应变采集卡可同时采集4个通道的应变信号，其最高采样频率为1 000 Hz，发射功率为4.5 dBm，应变采集误差不超过5×10^-6。该应变采集卡在封装环境下连续工作34.7 h后的温度稳定在34.58 ℃左右，可实现履带行驶结构的多自由度应变信号检测。研究结果为履带行驶结构动态载荷的实时采集以及掘进机器人的可靠性分析和故障预测提供了技术支撑。

针对传统本构模型表达磁流变液的流变特性精度不高的问题，采用MCR302流变仪对磁流变液的流变特性进行测试，获得了不同磁场下剪切应力与剪切速率之间的关系。利用遗传算法对Bingham-Papanastasiou（BP）模型和Herschel-Bulkley-Papanastasiou（HBP）模型进行参数辨识。利用辨识结果建立了仿真模型，对磁流变阻尼器的动态特性进行数值模拟。设计并加工了磁流变阻尼器，搭建了阻尼力测试平台进行阻尼力测试实验，并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明：HBP模型对磁流变液流变特性的辨识结果与实验结果吻合较好；2个模型对阻尼器动态特性的预测结果相差较大，仅对流速的预测一致性较好；基于HBP模型的阻尼力预测值与实验值较吻合。所提出的HBP模型表达磁流变液流变特性的精度较高，具有良好的实用价值。研究结果可以为振动控制领域磁流变阻尼器力学模型的选择提供参考。