变压器热点温度对电网系统的可靠性和稳定性有直接影响。针对传统变压器管理模式复杂以及变压器热点温度预测方法存在成本高、计算效率低和计算误差高等问题，提出了一种基于数字孪生的变压器热点温度预测预警技术。首先，搭建变压器数字孪生六维模型，实现了系统数据共通、多源融合和虚实交互等功能。然后，构建可承载人工智能与机器学习算法的感知交互驱动型数字孪生系统，并采用混沌自适应粒子群优化（chaotic adaptive particle swarm optimization, CAPSO）算法对BP（back propagation，反向传播）神经网络的权重和阈值进行优化，加快了原始网络的收敛速度，同时建立了基于CAPSO-BP的变压器热点温度预测模型。最后，利用变压器现场监测数据在虚拟引擎平台上进行仿真分析，实现了变压器热点温度预测预警系统各功能的开发应用并验证了预测模型的可行性和有效性。研究结果为数字孪生变压器系统由数字化向智能化转型提供了新的思路和理论依据。

巷道断面成形是煤矿掘进过程中的重要工序，但目前的巷道断面成形作业多为人工控制掘进机进行往复式截割，制约了煤矿掘进工作面的智能化发展。为此，针对断面成形轨迹规划未考虑煤岩特征、优化目标单一的问题，提出了一种基于改进灰狼优化（grey wolf optimizer, GWO）算法的掘进机断面成形轨迹规划方法。首先，根据夹矸位置将待截割断面环境分为4种情况，对相应断面进行栅格化处理并建立栅格地图，同时采用二值膨胀法对不规则夹矸进行膨胀化处理。然后，对GWO算法进行了改进，以提升其寻优性能和收敛速度。接着，开展了仿真实验，利用改进GWO算法实现了4种环境下掘进机断面成形轨迹的规划。最后，利用掘进机样机开展了断面截割实验。仿真结果表明：相较于传统的GWO算法，改进GWO算法的收敛速度更快且收敛精度更高；在4种断面环境下，基于改进GWO算法规划的断面成形轨迹长度最短，欠挖面积最小，转向次数最少，更容易实现高精度、高效率的轨迹跟踪控制，保证了巷道断面的成形质量。实验结果表明，基于改进GWO算法规划的断面成形轨迹既能提高掘进机的截割效率，又能满足巷道断面成形的质量要求。研究结果可为煤矿井下智能掘进技术的发展提供新的思路和方法。

3D打印混凝土流动度的稳定控制对于提高打印构件的成形质量具有重要意义。现有的打印精度提升途径主要集中在混凝土材料特性优化、打印设备机械结构优化和打印工艺参数优化等方面。但事实上，混凝土流动度稳定与否直接影响打印质量。为此，从控制角度出发，首先分析了混凝土流动度与打印精度的关系，提出了3D打印混凝土流动度稳定控制系统结构；然后，设计了一种基于PSO（particle swarm optimization，粒子群优化）算法的PID（proportional-integral-derivative，比例-积分-微分）控制策略，可实现控制参数实时在线多次优化，提升了3D打印混凝土流动度稳定控制性能。最后，通过仿真分析和打印实验验证了所设计的PSO-PID控制策略的可行性和优越性。仿真结果表明，PSO-PID控制策略可满足混凝土流动度稳定控制的要求；实验结果表明，PSO-PID控制策略能保证混凝土连续、均匀地挤出，有效提升了打印构件的成形精度。所提出的方法通过实时控制机械参数实现了混凝土流动度的稳定控制，可为3D打印混凝土技术的工程应用提供技术支撑。

具备爬行与跳跃功能的机器人比只能单一运动的机器人更能适应复杂环境，同时其柔性驱动器具有驱动变形大、结构简单等优势。基于介电弹性体的柔性驱动方式，设计了一种爬行-跳跃软体机器人。首先，设计了一种双稳态介电弹性体执行器，其由介电弹性体膜、柔性电极、加强筋和柔性框架构成，具有横向和纵向两个双稳态，并通过分析和试验确定了其尺寸参数；其次，采用VHB4910介电弹性体膜制作了双稳态介电弹性体执行器，研究了薄膜预拉伸率对执行器动态响应的影响规律，并测试了其输出力矩，验证了采用该执行器可实现机器人跳跃；接着，基于介电弹性体执行器，设计了爬行-跳跃机器人，其由爬行模块和跳跃模块组成，可实现直行、转弯和跳跃等动作；最后，制作了爬行-跳跃机器人实物并进行了测试。测试结果表明：机器人最大运动速度为10 cm/s，相当于每秒行进1.25个身长；最大转弯速度为12(°)/s；跳跃高度约为5 mm，跳跃距离约为3 cm。研究结果为爬行-跳跃软体机器的结构设计和驱动提供了新方案。

目前，以刚性材料为主体制作的机器鱼在水中具有良好的控制精度和较快的游动速度，但由于刚性材料自身的刚度较高，机器鱼通常无法很好地适应水中的狭窄通道。为了解决上述问题，将折纸结构应用于机器鱼的结构设计，设计了一种可在水中通过狭窄通道且具有良好游动性能的软体机器鱼。该机器鱼由头部、躯干和尾部组成，其中：躯干部分采用Water Bomb折纸结构，利用折纸结构的收缩和膨胀来实现躯干部分的径向变化；尾部利用软体折纸驱动器的弯曲来实现摆动，从而实现机器鱼的前行和转弯。通过实验测得了机器鱼在水箱中的运动情况，其最高游动速度为72.67 mm/s，最快转向速度为10.67 (°)/s，且能在最大负载为150 g的条件下稳定运动。结果表明，所设计的机器鱼不仅可以在水中灵活运动，而且能够利用躯干部分的折叠特性通过部分狭窄通道和障碍。这为软体机器鱼的设计与研究提供了一种新思路。

为了提高多足跳跃机器人的跳跃高度，基于跳蛛的腿部结构和跳跃机理，设计了一种机身弹射与腿部伸展相结合的复合跳跃式机器人。首先，根据跳蛛的跳跃机理，设计了机器人腿部结构和弹射装置，并利用UG三维建模软件对机器人整体进行建模；其次，利用MD-H（modified Denavit-Hartenberg，改进DH）法对机器人腿部进行运动学建模并分析，利用MATLAB软件计算机器人腿部的工作空间，并采用拉格朗日法进行动力学计算；然后，设计了采用棘轮和锥齿轮传动的弹射装置，并根据能量守恒定律和胡克定律设计了其储能弹簧；接着，设计了机器人运动控制系统；最后，进行ADAMS运动仿真，得出机器人垂直跳跃时最大高度为734.117 6 mm，向前跳跃时最大向前距离为447.641 7 mm，整个运动过程用时1.5~2.0 s，并采用3D打印技术制作了实物模型进行实验验证。研究结果表明，多足跳跃机器人采用复合式跳跃方式，可以有效增大垂直跳跃高度和向前跳跃距离，因此具有更好的实用性。

针对现有擦窗机器人在曲面玻璃上无法正常工作、清洁效果差等问题，设计了一种应用于曲面玻璃的自适应双面擦窗机器人。该机器人整体采用双机设计，两机体在结构上均由多个机构铰接组成，各机构均设有磁吸附装置，清洁机构由多个节单元铰接组成。在机器人贴合曲面玻璃的过程中，各相邻机构以及各相邻节单元之间的铰接结构在磁吸附装置的驱动下产生夹角，以实现机器人对曲面玻璃表面弧度的自适应。在此基础上，对机器人的磁极排布方式进行了优化，并分析了机器人的曲面自适应性及运动稳定性，解决了曲面玻璃厚度及曲率变化引起的机器人自适应问题，得到了机器人在不同姿态下稳定工作的约束条件。最后，在机器人的实际工作环境中开展了实验测试。结果表明，所设计的机器人在曲面玻璃表面具有良好的自适应贴合效果和可靠的运动稳定性。研究结果为曲面玻璃清洁机器人技术的进一步发展提供了新的思路和解决方案。

针对2024铝合金自冲铆接头底部易出现裂纹的问题，通过铆接实验来分析裂纹形成机理，并结合2024铝合金板材先退火再铆接的工艺开展裂纹抑制研究；同时，对比了接头剖面的显微组织和力学性能，并采用扫描电镜（scanning electron microscope, SEM）对接头断口特征进行分析，以探究其失效机理，进而分析热处理工艺对接头力学性能和失效形式的影响。结果表明，2024铝合金板材经360 ℃退火处理后，其塑性和延伸率显著提高，硬度下降了23.6%。当2024铝合金板材未经退火处理直接进行铆接时，裂纹萌生点位于铆钉管腿尖区域，接头底部出现沿径向分布的宏观裂纹；退火处理后接头底部无明显裂纹，连接点的密封性、抗腐蚀性能显著增强。未退火处理组接头剖面的晶粒结构粗大、不规则，且铆钉管腿尖区域的变形较大，而退火处理组接头剖面的晶粒结构细化且更匀称。退火处理组接头的静强度下降了12.93%，但失效位移和能量吸收值分别提高了27.3%和19.31%，其失效形式由上板完全断裂转变为下板撕裂，且连接点底部被铆扣拉穿，断口由脆性断裂转变为韧性断裂。研究结果可为自冲铆接工艺在汽车、航空航天等领域的应用提供重要参考。

针对高温环境下绝缘材料易老化裂解乃至碳化，导致高温电连接器绝缘性能下降而不能满足型号装备工作要求的问题，以某型号装备用J58型高温电连接器为研究对象，分析并验证了其聚酰亚胺（polyimide, PI）绝缘件的失效机理。同时，通过高温劣化实验研究了其绝缘性能的变化情况。实验结果表明：PI绝缘件在450 ℃下持续工作30 min后出现了碳化趋势，其绝缘电阻显著下降，但大于5 GΩ，仍可满足某型高超导弹的工作要求。研究结果为高温电连接器的可靠性设计、选用及后期维护决策提供了依据，并有助于提升高超导弹等型号装备的可靠性。

为提升高压共轨式喷油器的动态响应特性，基于超磁致伸缩材料棒及液压换向机构，设计了一种高压共轨式超磁致伸缩喷油器。在简述该喷油器整体结构设计和工作原理的基础上，考虑其驱动部分的磁滞非线性特征，基于Jiles-Atherton磁滞模型建立了其电-磁-机-液多场耦合模型。随后，搭建了完整的喷油器仿真模型，选取针阀信号作为喷油响应速度评价指标，确定了针阀弹簧预紧力的最优值。最后，采用响应面法优化了控制活塞直径、控制腔容积、进油孔直径和出油孔直径等参数，并基于拟合方程分析了优化后各参数对喷油器响应时间的影响。结果显示：相较于优化前，优化后针阀的开启延迟缩短了3.251%，开启时间缩短了1.364%，关闭延迟缩短了9.465%，关闭时间缩短了14.848%。研究表明，所采用的优化方法可有效提高针阀的响应速度，有助于提升高压共轨式喷油器的小油量喷油及多次喷油性能。

工业机器人线缆变形特性是影响线缆使用寿命的主要因素之一。为了描述线缆运动形态，减少线缆布线对线缆寿命的影响，提出了基于弹簧阻尼链式等效的柔性线缆建模方法。将线缆通过线性弹簧、线性阻尼、扭转弹簧和扭转阻尼进行分割，实现了其质点的动力学描述，并基于牛顿法对各质点进行受力分析。将线缆运动过程离散为多个微小时间段内运动的集合，通过动力学分析得到当前时刻的动力学参数，经过一个微小时间内的运动后即可得到下一时刻各质点的位置，迭代上述步骤便可以仿真得到线缆的动态形态，并实现了工业机器人关节处线缆的运动仿真。而后，通过实验确定了线缆动力学模型的最优参数，并将参数优化后的动力学模型仿真形态与工业机器人线缆真实运动形态进行对比，验证了动力学模型的准确性。最后，以线缆模型的最大应力最小为目标，得到了工业机器人线缆布局优化方案。研究结果为提高工业机器人线缆的使用寿命提供了理论基础。

承载力和刚度是衡量液体静压导轨承载特性的关键性能指标，直接影响精密磨床的加工精度与稳定性。针对液体静压导轨对置油垫结构参数的交互作用机制不明确、现有研究多局限于单油垫分析的问题，以某型精密磨床的花岗岩液体静压导轨为研究对象，系统地开展了多参数耦合作用下的承载特性分析与参数优化。首先，基于流体力学理论构建了液体静压导轨承载特性的数学模型，并推导出对置油垫承载力与刚度的解析表达式。然后，通过单因素分析揭示了供油压力、油腔间隙、封油边宽度及小孔节流器直径对液体静压导轨承载特性的独立影响规律，发现供油压力和油腔间隙对承载力和刚度有显著影响。最后，采用BBD（Box-Behnken Design）法设计了27组试验，构建了二阶多项式回归模型，以解析多参数的交互作用机制，并基于响应面法开展了多目标优化，获得了设计参数的最优解集。结果表明：优化后液体静压导轨的承载力和刚度分别提升了24.99%和19.62%。研究结果为精密磨床液体静压导轨的承载性能提升和参数优化提供了一定的理论参考。

圆锯片作为沙柳平茬作业的主要零件，在作业过程中存在锯切效率低、锯齿易磨损等问题。为此，对圆锯片的锯切过程进行了力学分析，并以竹鼠切齿为仿生原型，通过提取竹鼠切齿的轮廓特征曲线，设计了一种新型的仿生圆锯片。随后，建立了仿竹鼠切齿圆锯片的有限元模型，利用显示动力学软件LS-DYNA模拟锯切过程，对其力学性能进行了仿真分析，并与普通折背齿圆锯片进行了参数化对比。仿真结果表明，仿竹鼠切齿圆锯片的平均锯切力下降了19.17%，其中切向力、径向力分别下降了16.67%和10.68%，轴向力的波动较小，影响时间较短，同时锯切能耗降低了18.99%。锯切试验结果表明，仿竹鼠切齿圆锯片的锯切性能更优，其锯齿在切削过程中所受的压力和能耗均有所降低。所设计的新型仿生圆锯片为沙柳机械化平茬过程中圆锯片能耗大、易磨损的问题提供了新的解决方法。

在高温环境下，波形弹簧的弹力会因弹簧应力松弛、材料老化等而衰减，从而影响密封效果，甚至导致密封装置无法正常运行。为此，基于波形弹簧弹力衰减试验数据，采用蠕变模型，建立了波形弹簧弹力衰减数值分析模型。研究了温度及初始弹力对波形弹簧弹力衰减的影响，并基于Arrhenius模型提出了波形弹簧寿命预测方法。研究结果表明，波形弹簧的弹力损失率随着温度的升高显著增大；初始弹力越大，弹力损失率越大，且弹力衰减过程分为急剧减小和缓慢减小等2个阶段；所建立的波形弹簧寿命预测模型能够准确预测波形弹簧的服役寿命。研究结果为波形弹簧在工程应用中的可靠性设计和寿命预测提供了依据。

为了实现2 kW光纤激光器的精准散热和部件轻量化，保证其稳定可靠工作，需对其泵浦源进行有效的热管理。针对2 kW光纤激光器设计了一种相变直冷板，其采用压缩机驱动、制冷剂相变直冷的方式；优化了相变直冷板的内部流道，并对冷板的散热性能进行CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）数值模拟分析和实验测试。结果表明，在换热条件下，采用单流程加变径流道的相变直冷板，可以使泵浦源模拟热源在2.8 kW最高发热功率下工作温度保持为(26±0.5) ℃，表明该冷板能够满足2 kW光纤激光器稳定可靠工作的散热需求。研究结果为相变直冷系统原理样机的制作提供了理论支持。