突破常规非圆齿轮副的节曲线都是非圆形的限制，提出由普通直齿圆柱齿轮和非圆面齿轮组成的传动机构，可实现任意的减变速一体化传动，从而最大限度地简化传统减变速装置的传动结构，节省传动空间，提高传动效率。提出用非圆曲线代替普通面齿轮节圆的设想，根据传动过程中两齿轮节曲线之间进行纯滚动的原理，建立圆柱齿轮的空间节曲线方程，从而揭示正交轴圆柱齿轮与非圆面齿轮的传动机理;将圆柱齿轮与非圆面齿轮的传动比分解成减速比和变速比两部分，建立几何参数与两部分传动比的对应关系，可方便地设计任意减变速传动规律。根据齿轮空间啮合原理，建立由标准齿轮插刀包络非圆面齿轮的齿面模型，可为进一步轮齿几何特性分析及强度计算提供理论基础。计算出不同设计参数下非圆面齿轮副的传动比，分析了其独特的传动性能，并利用数字化制造仿真技术模拟标准齿轮插刀加工非圆面齿轮的过程，得到与齿廓数学模型完全吻合的齿面数据，从而验证了新型齿轮的传动机理及齿面模型的正确性。
现有机器人辅助抗阻训练方法大多是运用易受噪声干扰的患肢主动作用力或表面肌电信号直接进行治疗控制器设计，且在设计过程中未能同时将机器人连续变量运动控制与医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内，具有一定的局限。针对上述问题，提出一种基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法，该方法首先根据患肢主动作用力和实际运动位置在线辨识患肢时变生物阻抗;其次，运用混杂控制理论建立机器人辅助抗阻过程系统模型，根据患肢生物阻抗变化分别定义连续系统区域切换离散事件及离散系统控制状态，并基于混杂自动机设计离散事件决策控制器;最后，选用美国Barrett 公司WAMTM柔顺机械臂构建康复试验系统，对所设计控制器进行有效性验证。试验结果验证了阻抗辨识和混杂控制理论应用于机器人辅助抗阻训练过程的有效性和实用性。
对于绳索牵引并联机构，因绳索只能承受拉力而不能承受压力，因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动，冗余驱动会导致成本增加，绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中，在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧，构成绳索-弹簧机构，由弹簧来提供被动力，则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例，建立模型，求解可行工作空间，分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响，采用遗传算法对机构构型进行优化，并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明，绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后，可以显著改变工作空间及其质量，为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。
以电动机、液压马达等常见驱动和机械传动组合的大功率尾摆仿生推进，是未来水下自动航行器最具应用潜力的推进模式。提出一种基于直线型内摆线的尾摆推进系统，该系统具有相位差可调、运动无急回，可实现减速和运动转换集成。在关节点对推进性能分析及尾摆尾部运动数学模型的基础上，建立尾摆推进系统的黑箱;以尾摆推进参数、关节、参数间关系等运动参数为设计条件，完成了直线型内摆线两关节尾摆推进系统的工作原理设计和结构设计;运动仿真结果表明，直线型尾摆推进机构实现了可调相位差的简谐运动合成，并与鲤鱼尾部运动样本进行比对，验证了装置的可行性。
讨论了漂浮基柔性空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动最优控制问题。首先通过合理选择联体坐标系，实现两柔性杆弹性变形之间的解耦;根据拉格朗日方程与动量守恒原理，建立了载体位置无控、姿态受控飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。接着利用奇异摄动法，将这个柔性两杆空间机械臂系统分解为一个慢变子系统与一个快变子系统。以此为基础，提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用动态滑模观测器得到慢变子系统的观测速度矢量，基于这个观测速度矢量设计系统的鲁棒慢变控制律来实现载体姿态、关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度矢量，基于这个观测速度矢量与线性系统的最优控制理论设计系统的快变控制力矩，实现两柔性杆振动的抑制。最后通过系统的数值仿真，证实了方法的有效性。
准确计算准双曲面齿轮的时变啮合参数是其系统动力学分析的基础。基于接触有限元分析原理，应用有限元分析软件ABAQUS对齿轮进行加载接触分析(Loaded tooth contact analysis， LTCA)，准确计算准双曲面齿轮时变等效啮合参数，包括时变等效啮合点位置、时变等效啮合力作用方向、等效啮合力作用方向上的线位移传动误差和时变等效啮合刚度，并研究转矩大小对时变啮合参数的影响。对比有限元法与经典齿轮接触分析(Tooth contact analysis， TCA)方法求得的传动误差曲线，并对比有限元法计算与加载啮合试验获得的齿面啮合印迹，验证有限元模型和计算的正确性。该方法求得的时变等效啮合参数能够准确体现准双曲面齿轮的时变啮合特性，为进一步研究准双曲面齿轮系统动力学特性提供依据。
在共振稀疏分解方法中，品质因子决定其共振属性，其值的选择对共振稀疏分解结果有着很大的影响。现有的共振稀疏分解方法主要是依靠人为选择品质因子，带有较大的主观随意性，对最终诊断结果的提升非常有限。为此，基于遗传算法的全局优化性能，提出一种自适应优化品质因子的共振稀疏分解新方法。与已有方法相比，该方法利用遗传算法优良的寻优性能，优化共振稀疏分解中的品质因子，自适应地得到与输入信号故障特征相匹配的高低共振分量的品质因子。将所提出的新方法应用于某行星增速齿轮箱中行星齿轮与行星架轴承的复合故障诊断中，有效地提取出振动信号中相应的故障特征，实现了早期复合故障的准确诊断，表明了该方法的有效性和实用性。
针对传统有限元法求解声学问题由于刚度矩阵过硬导致较大的色散误差，以及在较高波数和网格扭曲时计算精度过低甚至错误的问题，采用移动最小二乘权函数对传统有限元法的声压梯度进行加权重构，推导了梯度移动最小二乘加权(Gradient weighted by moving least-squares，GW-MLS)的二维声学计算公式。对声压梯度的加权重构使得GW-MLS模型的刚度相对于FEM模型得以软化，刚度更接近真实模型刚度。采用与有限元法相同的方式构造质量矩阵和边界积分矢量，保证质量矩阵和边界条件的正确施加和积分精度。通过二维管道声腔模型和二维车内声腔模型算例对所提出的算法进行验证，数值分析结果表明，GW-MLS有效地减少了色散误差的影响，提高了计算精度，尤其是对较高波数和网格扭曲时表现出良好的适应性。
滚动轴承全寿命周期性能退化监测是设备主动维修技术重要的组成部分，对损伤状态进行有效评估可以实现设备接近零停机运行，发挥机器的最大生产力。为有效描绘滚动轴承性能退化趋势，提出一种基于流形学习的模糊C均值(Fuzzy C-means algorithm，FCM)方法。首先提取监测信号的时域、频域特征及小波包时频域特征组成高维特征集，然后按确定的本征维数提取高维特征集的低维流形特征，进而建立基于局部线性嵌入流行学习(Locally linear embedding，LLE)的模糊C均值模型评估轴承当前运行状态。通过IMS滚动轴承全寿命试验，验证了该方法能够有效描绘滚动轴承性能退化阶段，为预知维修提供了重要信息。
针对圆柱滚子轴承旋转精度，提出了轴承外圈径向跳动数值计算方法，并对外圈滚道形状误差进行了试验研究。根据轴承元件运动及几何关系，建立了轴承外圈径向跳动数值计算模型，分析了外圈滚道圆度误差幅值、圆度误差阶次、滚子个数以及径向游隙对轴承旋转精度的影响规律，并验证了模型的正确性。分析结果表明，外圈滚道圆度误差幅值对轴承旋转精度影响较大;当轴承外圈圆度误差阶次与滚子个数满足特定关系时，轴承旋转精度显著降低;对于外圈滚道圆度误差波形变化较剧烈的圆柱滚子轴承，滚子个数对其旋转精度影响较大。对轴承外圈滚道圆度误差试验研究结果表明，外圈滚道圆度误差服从正态分布;轴承外圈滚道圆度误差幅值随圆度误差阶次呈指数曲线变化;获得了外圈径向跳动与外圈滚道谐波分布参数的函数关系式，可用于外圈径向跳动的预测。
基于波信号能量谱的相关系数，采用了两种策略分别计算传感线路的损伤特征参数(Damage index，DI)，策略一：计算一条传感线路的感应波信号能量谱在基准和检测两种状态下的相关系数，并把该系数作为该条传感线路的DI。策略二：首先计算一条传感线路的激励波与感应波信号的相关系数，并把检测状态的相关系数相对于基准状态的相关系数的变化量作为该条传感线路的DI。在检测一个具有加强筋的复合材料板结构时，结合所计算的DI和损伤定位方法获取锥形孔损伤的概率分布图。试验结果表明策略二比策略一定位损伤的精度更高。这是由于策略二有效地避免了基准状态和检测状态的激励波信号的微弱差异所导致的损伤识别误差。
提出了一种以能实现沿X、Z轴平移和绕X、Y轴转动的新型并联机构2-RPU&2-UPS作为主体，辅以能实现主体Y轴滑动的直线导轨来共同实现五坐标联动加工的一种新型龙门式混联机床的机构设计方案。运用螺旋理论分析了该机床实现3T2R运动原理，计算出该机床的自由度，进行输入选取与论证，并进行机床机构奇异分析，提出减少奇异的参数设计条件。建立该机床的位置反解数学模型，推导出了该机床的速度雅可比矩阵和加速度分析表达式，求解了该机床的位置反解、速度和加速度。基于虚功原理和该机床的运动学模型建立该机床的动力学模型，并采用Adams软件对该机床动力学进行模拟仿真，模拟结果表明理论结果完全正确。
利用声子晶体理论，将隔振器设计成由金属和橡胶组成的一维周期性结构，利用其带隙特性实现舰船液压管路的振动控制。采用传递矩阵法和有限元法，对隔振器能带结构和频响函数进行仿真计算，分析材料属性、晶格常数和径长比等因素对带隙频率范围和宽度的影响，根据舰船液压管路振动频率范围，最终确定了隔振器结构尺寸及材料，并对其轴向振动传输特性和减振性能进行了数值仿真和试验验证。试验结果表明，该新型隔振器在600~10 000 Hz以内的频率范围内具有良好的轴向减振性能，能够有效地抑制管路振动向船体结构传播。本研究为舰船液压管路的振动控制提供了一条新的技术途径。
疲劳点蚀是齿轮摩擦副的典型固有磨损特征，其产生的点蚀磨粒已经被用于理解疲劳磨损的发生和发展机理，由于缺乏理论模拟，基于磨粒特征的疲劳磨损机理判断还停留在经验分析层面。为此，拟通过齿轮接触疲劳点蚀的数值模拟，研究点蚀磨粒形态特征，为在线磨粒特征表征磨损状态的方法提供理论探索。在考虑弹流润滑的条件下，建立齿轮副局部接触模型，并采用拓展有限元法(Extended finite element method ， XFEM)模拟表面萌生裂纹的拓展过程。进一步分析工况与点蚀磨粒形态特征的关系，结果表明，点蚀磨粒长轴尺寸随初始萌生裂纹的长度增加而增大，随载荷的增加而减小;点蚀磨粒的厚度随初始萌生裂纹的深度增加而增大。通过与已发表的试验结果进行对比，该模型所得到的点蚀形貌尺寸和形状与试验得到的点蚀形貌基本一致，从而验证了该模型的有效性。
机床导轨的磨损是导致机床精度降低或丧失的重要因素。针对机床导轨磨损深度的预测问题，提出了一种基于Archard模型与有限元模拟试验的机床导轨磨损分析方法。该方法基于修正的Archard模型形成一种磨损深度的计算公式，并采用一种离散化计算方法进行求解;结合ANSYS软件，提出机床导轨磨损有限元分析模拟的方法及流程;最后，以车床滑动导轨为例，用有限元试验方法对机床导轨的磨损过程进行模拟分析，得到磨损深度关于磨损次数的计算公式，其结果表明：机床导轨磨损深度的仿真模拟值与实际值具有一致性。
在新型冲击微动磨损试验机上对四种常见材料的薄壁管(不锈钢、铜合金、纯钛和铝合金)进行了冲击磨损试验，考察了材料属性、冲击能量对薄壁管损伤行为的影响。对其冲击动力学行为、磨损行为进行了分析。研究结果表明，不同材料金属管的能量吸收率、冲击接触力和冲击管变形有显著差异;同一种材料，随着初始冲击动能的增大，冲击过程中接触力、冲击管变形和冲击吸收能也在增大。通过分析磨痕微观形貌和磨痕轮廓，发现薄壁管的冲击磨损抵抗性能与材料属性密切相关;随着初始冲击动能的增加，材料损伤加剧，其损伤机制为疲劳磨损。
考虑到圆弧齿线圆柱齿轮传动接触之间的滑动摩擦与微凸体的连续性变形，结合分形理论和Hertz接触理论建立圆弧齿线圆柱齿轮的滑动摩擦接触力学模型，通过模型数值分析与ANSYS WORKBENCH分析的最大接触应力结果对比，证明该模型所反映圆弧齿线圆柱齿轮接触应力状态的正确性。该模型中，载荷与真实接触面积之间关系不仅与分形维数和特征尺度系数有关，还与齿轮节点曲率和齿轮齿线半径有关。同时，理论计算表明，分形维数一定时，真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时，真实接触面积随着分形维数的增大先增大后减小，随着特征尺度系数的增大而减小;摩擦因数对真实接触面积的影响不大。该模型的建立为圆弧齿线圆柱齿轮工作状态的研究及强度分析提供了理论依据。
现有的产品设计主要是基于功能的设计，着重于结构对功能的实现。但是，产品的功能无法完整反映产品的全部设计要求，不宜用功能表达的设计要求通常用“可供性”来表达。大量设计表现为主要功能保持不变，而通过考虑可供性来实现产品进化。在可供性理论与物-场分析理论基础上，提出一种面向产品概念设计过程基于“物-场可供性”模型提升产品设计质量的方法。将“物-场可供性”模型集成到现有的功能设计流程中，再利用实体交互矩阵分析产品设计方案中积极与消极交互作用，通过对积极作用最大化、消极作用最小化优化产品原理方案，实现产品设计质量的提升。采茶机的设计实例验证了基于“物-场可供性”模型的设计方法可以有效提升产品设计质量。
复杂曲面零件数控加工后直接进行原位加工精度检测和误差补偿，是实现精密产品闭环制造模式的有效途径。原位检测系统的误差来源于测量系统误差和机床运动系统误差，经相关的误差分离与误差补偿后，仍存在较大的残余误差，影响检测精度及其推广应用。针对原位检测系统的检测精度问题，开展检测系统残余误差的回归建模与补偿研究，在机床几何误差、测头半径误差以及预行程等基本误差补偿的基础上，建立基于偏最小二乘回归分析算法的误差回归模型，实现曲面零件测点法矢方向的检测数据二次补偿。在算法实现的基础上，列举复杂曲面零件进行数控加工与在线检测的试验研究。试验结果表明，二次误差补偿方法可以进一步提高原位检测系统的检测精度。
液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件，已在工程领域广泛应用，但轴颈形状误差作为静压主轴形成回转误差的主要因素，其对回转误差的定量影响规律并不明确。通过分析和简化主轴轴颈的形状误差特征，运用CFD动网格技术定量计算了形状误差作用下主轴在轴承油膜中的平衡位置，模拟了主轴旋转时轴颈形状误差凹、凸部位依次通过最小油膜厚度位置的轴心轨迹，发现了轴颈圆度误差使主轴形成回转误差，其大小与轴颈圆度频次和幅值有关，揭示出轴颈圆度误差对液体静压主轴回转精度的作用机制。通过对比理论计算和试验测试轴颈圆度误差作用下的回转精度，理论计算值约为试验测试值的75.2%。理论计算结果和所提出的研究方法具有重要的理论意义和工程参考价值。
基于蛋壳几何学特性，开展了蛋形耐压壳结构设计与性能分析。根据鹅蛋形状扫描、宏观尺寸统计试验，研究蛋壳圆度、体积、表面积及蛋形系数分布规律，建立体积方程、表面积方程及蛋形函数;设计了4 km水深蛋形耐压壳，并定量分析其安全性、储备浮力、空间利用率、水动力学特性等性能;采用正交试验，研究长轴、短轴、厚度对蛋形耐压壳性能影响规律。结果表明，鹅蛋壳为高度对称结构，其蛋形系数符合均值为0.69的正态分布;蛋形耐压壳具有良好的综合性能，其中厚度是影响强度的重要因素，长轴次之，短轴最小;长轴是影响屈曲的重要因素，厚度次之，短轴最小;厚度是影响浮力系数重要因素，短轴次之，长轴影响最小;长轴是影响空间利用率的重要因素，短轴次之，厚度影响最小;水动力学特性主要受短轴影响。
分析了目前常见的进给轴热误差补偿方法的缺点，如需要多个温度传感器、模型的鲁棒性较差等。提出一种基于无温度传感器的、强鲁棒性的机床进给轴热误差补偿方法，在恒温环境下实现对运动生热导致的热误差的补偿。给出了热误差模型的推导过程以及应用ISIGHT平台进行参数优化的过程。热误差模型基于摩擦生热、热传导和散热机理实时预测滚珠丝杠的温度场，以实现预测并补偿丝杠热误差的目的。在一台立式加工中心VMC850上对x、y、z轴进行了热误差测试并给出了模型的仿真效果。在另一台立式加工中心VMC850上采用激光干涉仪进行了热误差补偿前后的对比试验和加工对比试验。试验结果表明，该热补偿方法具有很高的精度稳定性和强鲁棒性。
为深入揭示碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer， CFRP)切削机理，针对目前宏观单相有限元方法无法直观体现纤维和基体的失效形式、切屑类型等问题，借助数值仿真方法建立了CFRP直角切削的三维多相有限元模型。测量刀具刀尖形貌，根据刀具和CFRP设计数据提取CFRP纤维、基体细观几何信息，建立直角切削细观几何模型;基于定义材料本构用户子程序(User subroutine to define material behavior， VUMAT)分别定义纤维和基体的材料本构(弹塑性、失效准则、损伤演化方式)，对不同纤维方向角的三维多相CFRP直角切削模型进行仿真分析;设计直角切削试验对仿真结果进行对比验证。仿真结果直观地展示了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、不同情况下切削亚表面损伤深度，通过各种情况下切削力数据的分析，揭示了切削力随纤维方向角的变化规律，并通过试验验证了该有限元建模仿真方法的有效性。
针对软固结磨粒气压砂轮光整加工新方法，研究气压砂轮软固结磨粒群的内部磨粒拓扑结构对被加工材料去除率的影响规律。建立气压砂轮材料去除机理模型，分析软固结磨粒群在单压缩载荷下内部细观组构参量及力链网络的演化过程，研究了软固结磨粒群的宏观力学特征与细观结构演化之间的关系，数值模拟了具有不同拓扑结构的磨粒层与工件接触区域内的应力分布规律。将软固结磨粒气压砂轮用于激光强化自由曲面光整加工实验，得到了磨粒目数及体积配比对材料去除量及表面粗糙度的影响规律，试验结果表明，软固结磨粒气压砂轮可用于激光强化表面的光整加工并获得良好的加工效果。
以单颗磨粒为对象，分析轴向超声振动下磨粒的运动特性。在此基础上，将磨削力分为切屑变形力和摩擦力两部分，分别分析了轴向超声振动对切屑变形力和摩擦力的影响。在切屑变形力方面，轴向超声振动改变了磨粒运动方向与主切削方向间的夹角;在摩擦力方面，轴向超声振动降低了磨粒与工件间的摩擦因数。基于此建立了轴向超声振动辅助磨削的磨削力模型。通过对21NiCrMo5H进行了轴向超声振动辅助磨削的磨削力试验，确定了模型中的常数，并验证了所建模型的正确性。建立的磨削力模型是轴向超声振动辅助磨削的磨削力预测的一种有效方法，对轴向超声振动辅助磨削机理的认识具有较大意义。
钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段，钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级，并影响钻进负载，有必要在地面环境中，分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系，构建不同可钻性等级的岩石样本模型，开展模拟钻进试验，获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此，将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象，基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions， PFC2D)，建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design， CCD)方法，确定影响岩石切削特性的微观参数，开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型，试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法，为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。
针对目前常用切削加工表面粗糙度预测方法存在预测精度不高、泛化能力不强的问题，提出一种融合模糊和随机性的粗糙度云预测新方法。在分析大量试验数据的基础上给出了多维预测云的数字特征和数学模型，设计粗糙度预测的多维多规则定性推理发生器，将各切削用量作为前件云输入，分析其对粗糙度后件云的影响关系，并通过对推理规则的多元组合，实现不同加工工艺规范下对工件表面质量的精准预测，揭示加工表面质量随切削参数变化的规律。试验结果表明，在相同样本条件下所提方法的平均相对预测误差低于4.78%，求解速度和预测精度方面均有所提高，且预测范围更加广泛。
