多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性，在力，位移，以及能量转移等方面获得更大的设计自由度，因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构，结合多目标拓扑优化的方法，提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题，然后并行求解，再根据整体目标的需要，对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形，提出新的材料与输出目标关系，从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时，也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单，可以处理任意多种材料，可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明，该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。
以三自由度Delta并联机械手为研究对象，针对其高速搬运作业下的操作空间和关节空间的轨迹规划策略进行研究。结合实际作业需求，对机械手末端运动轨迹的关键路径点进行设置，建立点到点的搬运作业轨迹。以机械手运动学逆解模型为基础，在操作空间利用3-4-5次多项式运动规律建立操作空间运动特征到关节空间运动特征的映射关系。以机械手运动学正解模型为基础，在关节空间利用五次非均匀有理B样条(NURBS)运动规律建立关节空间运动特征到操作空间运动特征的映射关系。在运动轨迹关键点位置及运动时间相同的条件下，对两种轨迹规划方法进行计算机仿真，对比分析机械手关节角度、角速度和角加速度等运动特征，并通过物理样机试验进行验证。结果表明关节空间内基于五次非均匀有理B样条运动规律的轨迹规划方法在减小运动过程中机械手振动和降低电动机功耗等方面优势明显。
基于螺旋理论求解移动并联机构在单个分支驱动下的分支传递力螺旋和机构输出运动螺旋，给出机构分支在不同位姿下传递功率恒定及其实现最大功率传递的条件。通过分析移动并联3-CPU机构的运动/力传递性能，给出分支将输入功率全部转化为动平台输出功率，即运动/力传递性最大时的主动副配置方式。在此基础上，对移动并联3-PRPU机构进行运动/力传递性能分析，总结其结构参数对分支传递功率的影响规律，得到了其传递性最大时的参数设置。所做工作为分析与综合具有高传递能力的并联机构提供了理论参考。
不考虑阻尼和外力，建立封闭差动行星传动系统纯扭转自由振动方程并将该方程转换为正则模态方程;利用多尺度法推导出传动系统的啮合刚度波动引起的和型共振频率的稳定性条件并进行动力稳定性分析。研究结果表明：传动系统正则模态方程的啮合刚度波动的一次谐波项的系数矩阵元素绝对值越大，对应该系数矩阵元素的组合共振频率或2倍频引起的振动频率不稳定区间越大;啮合频率接近共振组合频率和2倍频时，不稳定性随啮合刚度波动率的增加而增大;传动系统受封闭级啮合频率激励引起的组合共振频率和2倍频率共振点远比差动级中啮合频率激励引起的多;不稳定三维图中起伏曲面在内外啮合重和度为整数时的点为起伏曲面的谷底，谷底的稳定性高。
为研究Exechon并联模块的刚度性能，采用子结构综合方法建立该模块的刚度解析模型。分别采用虚拟关节法和有限元法计入各关节和支链体的柔性，并通过推导动平台和支链装配体间的变形协调方程构建出系统的弹性静力学模型。由系统方程抽取出动平台刚度矩阵，据此预估Exechon并联模块在典型位姿和工作全域内的刚度性能，并将其与有限元仿真结果进行对比。结果表明，所建解析模型具有较高计算精度，可快速预估机构工作全域的刚度特性;Exechon并联模块在工作空间任一截面内的刚度关于x轴对称分布，且沿w方向的刚度受机构位形影响较小。
目前声源定位主要采用波束形成算法与麦克风阵列相结合的方法。常规波束形成(Conventional beamforming， CBF)方法存在以下缺陷：① 空间分辨率受限于瑞利限;② 动态响应范围受旁瓣的影响。高级波束形成算法则存在着计算时间过长、会出现负声源或假声源等缺陷。提出一种基于麦克风阵列与压缩感知正交匹配追踪(Orthogonal matching pursuit， OMP)算法的声源定位方法。在不同频率下通过数值仿真方法将压缩感知OMP算法与CBF算法及压缩感知基追踪(Basis pursuit， BP)算法的声源定位结果进行对比。结果表明：① 与CBF算法相比，压缩感知算法显著提高定位结果的分辨率;② 当声源频率为 1 000 Hz时，测量矩阵的等距约束性常数(Restricted isometry constant， RIC)远高于FOUCART边界限，不满足等距约束性条件(Restricted isometry property， RIP)，压缩感知OMP算法仍能定位出主要声源的位置，而压缩感知BP算法无法对主要声源进行定位。通过数值仿真方法对不同信噪比(Signal to noise ratio， SNR)及不同声源间距下压缩感知OMP算法和CBF算法声源定位的结果进行对比。结果表明：① 当SNR为零时，压缩感知OMP算法能对主要的声源信号进行定位，而CBF算法无法对主要声源进行定位;② 在声源频率为5 000 Hz时，OMP算法的空间分辨率为0.074 m，突破了瑞利限约束。通过试验对所提出的声源定位方法的可行性进行验证。
根据1/4车体4自由度垂向振动模型，利用随机振动理论及留数定理，建立轨道高低不平顺激励下的车辆垂向振动响应均方根值解析表达式;通过数值计算对解析表达式的正确性进行了验证，结果表明在一定有效数字范围内解析计算值与数值计算值完全吻合，表明所建立的解析表达式是正确的;通过整车仿真对比对解析计算方法的可靠性进行了验证，可知车体垂向振动加速度均方根值和二系悬挂垂向行程均方根值的解析计算值与整车仿真验证值的最大相对偏差分别仅为12.50%和15.47%，表明所建立的解析计算方法是可靠的。在此基础上，利用黄金分割原理，建立了二系垂向悬挂系统阻尼比优化设计方法，并通过实例对其可行性进行了分析，为高速列车二系垂向悬挂系统参数的初始设计提供了参考。
次碰撞是柔性结构碰撞时特有的物理现象。为观测和深入研究这一现象，专门研制了一套柔性结构次碰撞试验平台。借助该试验平台，结合Hertz碰撞理论和动态子结构方法，对钢球坠落碰撞简支梁过程进行了详细的试验测试和数值仿真，观察到了复杂的次碰撞现象，深入探讨了次碰撞的碰撞接触时间规律和主要影响因素。研究结果表明，动态子结构方法可以作为球-梁弹塑性次碰撞行为分析的一种有效的数值计算手段。研究发现，在低速碰撞时Hertz碰撞理论所揭示的碰撞接触时间规律仍然适用于首个次碰撞过程，表明局部接触变形主导了首个次碰撞过程。次碰撞现象一旦发生，将导致简支梁碰撞端位移响应的前三阶振幅比和第一阶相位角均发生明显的变化。进一步的探讨则发现，次碰撞的发生与球-梁质量比、碰撞初速度和碰撞位置等因素密切相关，若用质量比来度量次碰撞的发生条件，发现存在一个质量比阈值，只有满足该质量比阈值，才会出现次碰撞。
针对层合板结构铺设角度对前二阶声辐射模态幅值和辐射声功率的影响进行分析。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的铺设角度与振动速度信息之间关系。通过声辐射模态理论，以某12层层合板结构为例，研究固定边界条件下的层合板辐射模态数、对称铺设角度、单向铺设角度以及激励力位置对声辐射模态幅值和辐射总声功率的影响。计算结果表明，在相同角度下，对称铺设层合板结构最大声功率值要小于单向角度铺设层合板结构最大声功率值;另外在低频时，对层合板结构辐射声功率起主要贡献的是前两阶辐射模态。并以某16层零度铺设的固定边界条件下的层合板结构为例，对复合材料层合板结构的声辐射模态幅值及声功率进行试验分析。
对三维大变形柔性梁系统的动力学建模和仿真进行了研究。采用绝对节点坐标法描述柔性体的大变形和大位移运动，并由此建立三维大变形柔性梁系统的动力学模型。在此动力学模型基础上，编制动力学仿真软件，实现了对三维大变形柔性梁系统的动力学仿真。给出了两个动力学仿真算例。第一个对柔性单摆自由下落进行了动力学仿真，并与现有文献结果相比较，验证了模型的正确性。第二个对空间柔性双摆的自由下落过程进行了动力学仿真，并将模型计算的结果与使用ADAMS软件计算的结果进行比较。研究结果表明，ADAMS在计算大变形物体动力学时具有局限性，而所得的模型能够有效地对三维大变形柔性梁系统的动力学进行仿真解决这类动力学问题。
基于噪声利用机制，集成噪声重构经验模式分解方法(Ensemble noise-reconstructed empirical mode decomposition， ENEMD)利用原信号中固有噪声分量改善模式混淆现象，并通过固有噪声分量的相互抵消作用实现信号降噪。然而，该方法中关键噪声估计技术采用类硬阈值处理方式，忽略系数之间相关性。为此，研究基于相邻系数降噪原理的ENEMD噪声估计技术，提高固有噪声分量估计的准确性。在此基础上，将改进ENEMD方法引入Hilbert-Huang变换中，提出改进ENEMD的微弱时频特征增强方法。该方法以无模式混淆的本征模式分量(Intrinsic mode function， IMF)准确表征微弱故障信号的瞬时频率，并以降噪IMF有效提高时频谱信噪比，消除时频谱中噪声杂点，显著提高信号时频表示的分辨率，增强微弱故障的时频表征并突显局部故障征兆，为机械早期和微弱故障识别提供有效手段。工程实例表明该方法有效揭示空气分离压缩机碰撞与摩擦故障征兆，并成功提取重油催化裂化机组早期微弱碰摩故障特征。
Hilbert变换是信号处理领域常用工具之一，将Hilbert变换法改进并应用到信号分解和非线性系统振动分析中。振动信号的多谐波性，使得Hilbert变换法提取信号的瞬时频率和瞬时相角可以通过滤波的方法分离成快变和慢变两部分，从而提取系统的振动分量;通过迭代计算，依次获得振动信号中所有谐波分量;将非线性振动方程用瞬态幅值相关的瞬态参数表示，从而求解系统的频响关系曲线方程。通过相应的数值模拟计算，验证了改进的Hilbert变换法在非线性振动分析的有 效性。
三轴气浮台质心漂移引起的干扰力矩是衡量气浮台工作能力的重要指标。针对航天八院研制中的5 000 kg三轴气浮转台干扰力矩评估与最优设计问题，建立理论分析模型，论述气浮台的质心漂移取决于三个基本变形参数。然后采用数值仿真和理论分析的方法，深入讨论气浮球心最优偏移与气浮台重力干扰力矩之间的关系，基于分析结论建议初始姿态调平后气浮球心相对于气浮台质心适当偏移可以有效抑制干扰力矩。结论还认为微摆0.3°产生的干扰力矩接近零对气浮台结构设计来说并不是困难，追求摆动0~15°范围内重力干扰力矩最小才是气浮台设计所面临的最大挑战。另外，还总结了最优参数的变化趋势，为气浮台的设计、调平提供了有益的建议。
在路径坐标系下，引入了恒定外部激励力二维库伦摩擦力系统滑移轨迹的精确解。当量纲一的外部激励力F>1时，系统会最终进入黏滞状态，给出了对应的黏滞的位置和黏滞发生的时刻;当F<1时，系统会保持滑移状态。当初始时刻外部激励力的方向与初始速度方向之间的夹角值较大时(接近于反向)，则在轨迹中存在一个滑移方向发生剧烈变化的拐点，特别的，当F>1时，拐点接近于黏滞位置。传统积分算法不易求解含有转换及捌点的二维库伦摩擦力系统。假设在足够小的时间步长内，时变外载荷激励可以近似认为保持恒定不变，则利用上述解析解能够建立一种新的库伦摩擦力系统数值求解算法，进而分析粗糙接触表面多结点模型的微滑移以及微滑移诱发的磨损与能量损耗等。
利用粗糙平面接触模型，假定表面单个微凸体的接触采用JKR黏着接触模型，同时考虑圆柱体表面的整体变形，建立了粗糙圆柱表面线黏着接触模型，推导出表面等效压力分布方程。把压力方程量纲一化，采用修正Newton-Raphson法对方程进行迭代求解，计算出粗糙圆柱表面存在表面力作用下的等效压力分布曲线。结果表明外载荷不小于零时，接触中心压力为正，微凸体被压缩;而接触边缘处压力为负，微凸体被拉伸，表明黏着区域主要分布在接触边缘。同时计算出接触半宽随外载荷的变化曲线，当外载荷为拉伸力并大于某一临界值时，表面分开。并且与经典的接触模型进行了对比，发现低载时模型之间的差别较大，而载荷比较大时趋于一致。
采用基于N-S方程的CFD方法模拟了圆凹坑形织构深度和面积率与油膜附加承载力的关系，同时考察表面张力对油膜承载力的影响。通过神经网络非线性映射功能，拟合油膜附加承载力和油膜自身承载力计算结果，再利用粒子群优化算法优化织构深度和面积率并加以试验验证。结果表明：使油膜附加承载力达到最大时，最优织构深度与油膜厚度相关，其比值(织构深度/油膜厚度)约为1.0，最优面积率约为45%。考虑表面张力时，使油膜总承载力达到最大时的最优织构深度和面积率分别为2.5~7.5 μm和45%。对比两部分优化结果可知，是否考虑表面张力不影响最优面积率的确定，但影响最优织构深度的确定。从织构深度和面积率的优化结果发现，不同承载力作用下选择不同织构参数，可取得较小的摩擦因数，并通过试验验证，优化结果合理、正确。
复杂产品设计往往涉及多个CAD/CAE系统，不同系统在几何模型构建、表达和存储等方面存在异构性，导致系统间数据和信息难以融合集成，降低了复杂产品的设计与开发效率。为了实现异构CAD/CAE模型语义信息和几何特征的融合，提出基于水平集方法的产品异构模型融合方法。构建了基于模型距离场的体素化模型，给出了体素化模型的可视表达方法，建立了距离场交、差和并集操作函数与产品造型特征复制、提取和识别的映射关系，建立了构造速度场操作函数和形位误差信息、高级语义信息和局部特征信息融合的映射关系，实现了产品异构模型的信息融合。通过复杂汽轮机叶片模型形位误差和高级语义信息融合试验，证明了方法在异构CAD/CAE系统信息集成方面的有效性和实用性。
制造学科是随着科学的演进和技术的进步不断地发展和变化的一个学科。结合激光聚变、电子制造、航空航天以及医疗器械等领域对洁净的需求，首次提出了超洁净制造的新概念，并对超洁净制造的内涵进行了界定。在上述相关领域中，表面污染物的演化和演变将对器件的性能和功能产生重要的影响。采用制造领域的新方法和新手段获得超洁净表面，并实现其工作时超洁净状态的维持是制约上述领域发展的瓶颈问题。在综合分析超洁净制造应用领域的基础上，提出超洁净制造基础理论和关键技术研究所面临的挑战，分析超洁净制造的技术内涵和研究内容，并针对相关领域中高洁净度的获得和保持技术进行了剖析。最后，提出超洁净制造未来发展的科学问题。旨在通过超洁净制造的研究为制造科学与工程提供新的发展思路，拓展并提升其应用的领域，服务于重大科学工程和重要技术领域的发展。
双稳态结构正反行程跳跃阈值不相等引起的驱动困难是制约其工程应用的瓶颈问题。基于大变形有限元理论分析了影响双稳态结构跳跃过程的关键因素，引入跳跃阈值力、稳态保持力以及双稳态特征系数(二者的比值)作为描述双稳态特征的指标，提出了基于局部单元截面构型优化的双稳态跳跃阈值控制方法，建立了具有特定跳跃力学特征的双稳态结构优化设计模型，以局部单元的截面尺寸、个数及位置为设计变量，采用分步优化的方法，得到了几类具有不同双稳态特征系数的余弦梁新构型，分析了变截面单元厚度及布置方式对跳跃阈值及路径的影响关系。数值仿真结果表明，局部截面构型改变前后双稳态结构的跳跃时间及振动频率变化不大。考虑试验加载位置与夹持条件对双稳态特征系数的影响，仿真与试验结果基本一致，验证了所提出的双稳态结构跳跃力控制方法的有效性。
针对高强钢复杂件冲压后出现的扭曲回弹现象，运用有限元仿真软件DYNAFORM对复杂件的冲压、回弹过程进行数值模拟，提出了评价复杂件扭曲回弹程度的指标，并运用试验设计和小波神经网络代理模型方法对扭曲回弹进行了优化研究。以某弯曲梁为研究对象，以扭曲回弹为成形目标，通过正交试验设计筛选出对扭曲回弹影响较大的工艺参数作为影响因素。利用拉丁超立方对影响因素进行抽样，通过数值模拟获得样本数据，建立影响因素与成形目标之间的小波神经网络代理模型，利用改进的粒子群算法对该模型迭代寻优获得最优参数。结果表明：采用优化后的工艺参数能有效地减小该弯曲梁的扭曲回弹，该方法为减小复杂件的扭曲回弹提供一种有益的指导。
大量研究表明机械车间消耗了大量能量，因此降低机械车间的能耗是实现可持续制造的策略之一。现有机械车间节能调度研究主要针对给定的或者具有部分柔性的工艺路线，缺乏对机械车间任务工艺路线多柔性的节能调度研究。针对机械车间任务柔性工艺路线对机械车间调度能耗的影响特性，提出一种面向机械车间柔性工艺路线的节能调度方法。首先，分析了面向机械车间柔性工艺路线的加工任务调度的能耗特性;基于此，构建了节能调度模型，该模型是以任务加工总能耗、加工完成时间、机床负载为目标。进一步提出了一种改进的Q学习算法对该模型进行求解获得其Pareto解。最后通过案例验证了提出模型的节能效果及算法的可行性。
针对传统热冲压模具深孔对钻冷却系统冷却不均的现象，基于热冲压过程的多场耦合传热理论，提出热冲压模具随形冷却系统设计方法。利用Star-ccm+软件对热冲压冷却淬火过程进行热流固耦合模拟。以自主研发的彩虹电动汽车B-柱模具镶块为研究对象，对传统深孔对钻和新提出多种随形设计方案进行了冷却模拟分析。根据模拟结果，比较分析了不同冷却方案的冷却效果，并提出B柱模具镶块纵向随形冷却水道的优化方案，分析了优化前、后模面温度场的变化。提出运用覆膜砂3D打印造型结合传统铸造工艺的方法，制造具有随形冷却水道的热冲压模具。通过对比五种方案发现，采用纵向随形设计的热冲压模具，与冷却最差的平行随形设计相比，模面最大温度降低47.4%，模面平均温度降低40.9%，模面温度均匀性提高1.8%。根据纵向随形水道设计流程，将水道形状和位置参数R、H、r作为优化参数，模面温度场作为优化目标，对纵向随形水道进行优化，结果显示，优化后模面最大温度下降了49.8%，模面平均温度下降了46.8%，模面温度标准偏差下降了67.5%，模面温度均匀性提高了1.9%。因此，采用随形冷却的热冲压模具，有效地提高了生产加工效率和使用寿命，改善了热冲压件的平均强度和组织与力学性能的均匀性。
针对模具型腔拐角铣削过程，提出一种考虑刀具变形及铣削力变化的基于载荷控制的进给量优化方法。根据拐角的铣削中刀具与工件接触情况的不同，将铣削过程分为五个阶段，分别分析拐角铣削时刀具切削刃真实运动轨迹，建立拐角圆弧运动轨迹下瞬时切屑厚度模型，提高切屑厚度模型在拐角加工中的预测精度。修正铣削力预测模型，使其满足拐角加工过程不同阶段的要求。选取刀具变形量为约束条件，计算不同阶段的允许最大载荷，利用二分迭代法得到该载荷下对应的进给量值。考虑到数控机床的运动加速度限制，对得到的优化进给量值进行二次优化，以满足实际加工的要求。仿真结果表明，在进给优化后的拐角铣削过程中，载荷变化趋于平稳，加工时间缩短。进行拐角加工验证试验，数值仿真计算和试验测量结果表明，建立的铣削力模型能够很好地预测拐角铣削过程。所建立的优化模型为模具型腔的高精、高效加工提供理论支持。
螺旋沟槽属于复杂的空间螺旋面，砂轮与刀具的相对运动复杂，在微细立铣刀的制造过程中耗时最长、难度最大，精确、高效加工螺旋沟槽成为微细铣刀制造过程亟须解决的关键问题之一。基于无瞬心包络原理研究了微细铣刀螺旋沟槽的刃磨过程，提出一种微细螺旋铣刀轴向型线的计算模型，该模型避免了利用接触公法线求解时，因砂轮截形上的奇点和圆滑二次曲线导致无法求解的情况，计算过程与求解简单，适用于对砂轮廓形复杂时刃磨求解。在所建模型基础上分析了砂轮形状和加工参数对螺旋槽型形状的影响，以及砂轮摆角和前刀面宽度对径向前角的影响。通过刃磨验证了模型与分析的正确性，试验证明实际加工的微细铣刀沟槽截形与包络计算的沟槽型线几何形状参数吻合良好。
把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中，基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论，定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型，得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以SiC单晶为切割对象，进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验，测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度，并对表面形貌进行观察。结果表明，横向超声振动线锯切割SiC是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下，超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。
