多对称在机械系统中普遍存在，而且对系统满足设计需求起着重要的作用。系统分析国际、国内机械设计学发展的思路，阐明机械概念设计与详细设计，功能设计与原理设计，需求对称性、功能对称性、原理对称性与结构对称性的内涵，认为功能结构是功能设计的结果，功能结构体现了系统解的原理和结构布局。提出多对称机械系统的分类体系。通过对一千多个机械实例的分析，探索各种多对称在功能结构中的存在方式和在机械中的效用，发现多对称机械系统的功能结构主要由功能并联分解和组合，功能串联分解和组合，功能交叉串并联，功能并联复合，功能循环，功能选择和决策等基本模式组成。进而获取机械系统功能-载体配置原理与多对称类型之间的关联性知识和应用多对称性进行系统功能设计的规律性知识。最后利用上述知识发明一个具有多对称特征的海浪发电装置，并给出其功能结构。
传统的功能分解是将产品的总功能分解到功能元，以每个功能元有确定的原理解作为功能分解结束的标志，传统的功能分解方法强调总功能可以分解为若干个功能元，若干个功能元组成一个总功能，体现了总功能和功能元之间的线性关系和还原性。传统的功能分解无法体现复杂机电系统非线性、时变特性、开放性和功能耦合等重要特征，因此急需一种适合于复杂机电系统的功能分解过程模型。将设计过程复杂性理论(Design-centric complexity，DCC)和TRIZ集成，对初步进行功能分解的结果，按照TRIZ理论中有效完整功能和非有效完整功能集对功能进行分类;应用提出的功能实现概率均值法和功能实现概率极值法，将TRIZ理论的有效完整功能和非有效完整功能，与DCC理论中重复功能集和组合集建立联系;经过TRIZ理论对问题功能进行转化后，以系统的重复功能集、组合集和组合辅助功能集作为复杂机电系统功能分解的结果;形成面向复杂机电系统的DCC与TRIZ集成功能分解过程模型。用一个工程实例验证该设计过程模型。
为解决矩阵算式求解元功能链设计方案过程中缺乏优化工具的问题，提出了一种矩阵算式结合蚁群算法的优化方法。分析了相似性理论，用相似度和广义距离表征两个相邻元件的兼容性;定义了相似度矩阵，并使之与设计方案矩阵关联计算，获得了蕴含元件相似度信息的设计方案矩阵;定义了设计方案的评价模型和基于蚁群算法的优化模型，给出了评价参数、权重以及评价值的计算方法;以元件的评价得分作为信息素，以广义距离作为相邻节点路径的长度，构建了信息素矩阵和概率矩阵;将方案求解问题转化为组合优化的最优路径问题，用蚁群算法直接优化蕴含在设计方案矩阵中的方案，得到了同时满足结构需求、功能需求、评价需求的设计方案。通过某三轴伺服传送机构设计方案优化的实例，验证了方法的有效性。
介绍了类比源设计与功能类比作用原理，从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving，TRIZ)的相关性描述得到启发，提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先，借助于所建立的产品功能结构模型，找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次，将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能，从而得到产品功能相似度矩阵，再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化，这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后，构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例，对其功能类比源设计的功能相似度进行分析，并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价，验证了所构建模型的正确性。
提出从国际专利分类表(International patent classification，IPC)中发现功能知识社团并进行功能创新的方法。通过从IPC中提取并分析功能动词的共现关系，构建功能动词共现网络。选用Newman贪婪算法(CNM算法)对功能动词共现网络进行社团发现，归纳了网络节点之间的4种典型拓扑关系，对社团内部和跨社团的节点之间的拓扑关系进行分析。根据功能动词节点连接的拓扑特征定义了4种类型的功能中介节点，对应提出4条重组相关社团节点的策略，以实现产品功能创新。作为应用实例，从IPC所有条目中提取与排水和干燥共现的功能动词，构建了85个节点的功能动词共现网络，成功地发明了一种利用排水能量供电的亮度可调的管道照明系统。
针对已有产品功能创新设计过程不能及时、动态地反应用户需求的问题，应用需求进化定律将不同的用户需求进行预测并规划明确产品的需求目标。通过建立需求目标与功能进化的相互关系，针对不同的需求目标选取对应的功能进化改进定律对已有产品从功能层面进行系统设计。功能改进后满足的需求又可以重新作为产品的调查需求，发现用户的新需求或已有需求的发展，进而再次驱动功能创新设计来满足用户需求，实现功能进化随需求的进化而进化，从而为功能创新设计提供一种新方法。在此基础上提出了已有产品的功能创新过程模型，并以TTSJ900架桥机创新设计为例验证了该模型的合理性。
针对可变功能机械产品相关设计方法研究中的不足，提出可变功能机械产品的功能设计方法与步骤，并对功能相似性进行探讨。可变功能机械产品实现功能转换时需要进行零件的拆卸、装配，因此有必要对其开展拆卸-装配序列的研究。将可变功能机械产品的结构构件分为共享件与非共享件，明确拆卸-装配序列规划对象为非共享件。根据可变功能机械产品实现各可变功能所需的零件列表，建立功能零件关系表。用集合干涉矩阵(Aggregated interference matrix， AIM)表示非共享零件在各自拆卸或装配方向的干涉情况，并提出包围盒与投影相结合的方法进行干涉检查，在此基础上生成AIM。然后根据生成的AIM建立目标函数，应用遗传算法对拆卸-装配序列进行优化。最后，利用Matlab编写相应的程序，以某可变功能微耕机为例对提出的方法进行验证。
裁剪法是产品改进创新的重要方法，而功能分析是实施裁剪的基础。对于复杂机械系统，功能分析常常面临组件层级难以确定的问题，依赖设计者个人理解和经验判断，操作上存在较大的主观性，不同设计者分析过程和结果往往差异较大。为提高功能分析客观可操作性，基于逆向工程思维，提出了由系统目标向系统内部组件逐步遍历的功能倒推分析法。该方法专注于接触界面，从系统主要功能的目标对象开始，通过相互作用分析倒推功能载体，逐层循环迭代倒推直至遍历所有组件。进一步，结合功能倒推分析法与裁剪法，运用TRIZ问题求解工具，建立系统重构创新设计过程模型。最后，以钢轨铣磨车磨装置为例进行系统重构创新设计，验证了功能倒推分析法和系统重构创新设计方法的实用性和有效性。
设计开发具有可变功能的机电产品有着重要的实用价值。目前针对这类产品的设计方法研究还相对较少。在分析机电产品行为过程特性的基础上，将行为过程划分为基础行为过程和目的行为过程，指出基础行为过程的相似性是机电产品面向可变功能再设计的前提，相似程度越高，进行可变功能再设计的可行性也就越高。由产品的相同或相似基础行为过程映射得到相应结构体，提出了一种量化结构相似性的方法。通过筛选最大相似性构件，可以识别共享构件，并确定所要设计开发的目标产品。认为共享构件与非共享构件之间的接口问题是再设计的一个核心问题，提出了接口求解的两个准则及两类求解方法。最后，通过基于电动碎冰机与电动切菜机的可变功能再设计的案例，验证了上述方法的可行性。
提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式，进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆，其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例，直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值，并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。
为探索新型移动机构及其移动方式，提出一种具有缩放平台的串并联移动机构。该机构由两个空间3-RPR并联机构串联组成，其三个平台均为可缩放移动平台。通过三个平台依次缩放配合支链的伸缩，该机构可实现蠕动运动。该机构兼具并联机构高刚度和串联机构运动空间大的优势。应用螺旋理论计算该机构的自由度，运用矢量法进行运动学分析。以攀爬管道内壁为应用案例，介绍该机构蠕动的详细步态。利用Solidworks进行详细的机械设计。利用ADAMS进行攀爬管道的动力学仿真，得到平台的位移曲线以及支链推杆的杆长变化曲线。制作一台原理样机，验证了该机构的自由度特性和蠕动步态。
机构学的难题之一是寻找机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的映射规律。前期研究表明，降低机构的结构耦合度可直接降低机构运动学、动力学求解的难度，这揭示了机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的关系之一，因此，如何降低机构的结构耦合度已成为机构拓扑结构优化的重要内容，但目前国内外研究很少。研究并联机构的结构降耦原理、设计方法及其应用。定义并联机构结构降耦的概念，澄清并揭示机构结构降耦与机构运动解耦之间的内在区别与联系。从并联机构支链本身的拓扑结构以及支链在动/静平台之间布置的拓扑结构两方面，提出保持并联机构自由度和方位特征不变而降低机构耦合度的两个结构降耦原理，据此，进一步提出了基于设计混合支链的、基于运动副复合的、基于方位特征支链主动化的三种结构降耦设计方法，并分别给出设计例子，得到相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构，为其应用研究提供了优选机型。提出的机构结构降耦原理与设计方法，适用于所有的复杂平面和空间平面。
相似试验模型在大型结构振动与冲击试验研究中起到重要作用。综述动力学相似理论在结构动力学相似试验模型设计中的应用研究进展与发展趋势，并引述大量文献。总结动力学相似理论在多个领域的结构振动与冲击问题分析中的主要成果，包括动力学相似理论在海洋结构、土建结构及大型动力装备动力学相似试验模型设计中的应用，复合材料结构的动力学相似设计方法，以及转子系统的动力学相似试验模型设计方法。介绍动力学相似理论的重要研究进展情况，如畸变试验模型的设计及修正方法、动力学相似模型的试验验证。讨论动力学相似理论在结构振动与冲击研究中存在的主要问题并做出展望。
为了满足推力矢量技术的发展需求，研发设计能够提供高加速度变化率的离心机具有重要的研究意义和应用价值。针对上述技术需求，设计三轴离心机模型，采用复合运动和矩阵旋转两种方法建立系统的运动学模型。基于复合运动分析方法建立的模型清晰地给出绕各转轴的角速度和角加速度对加速度载荷的贡献量以及各运动量之间的耦合关系。矩阵旋转法建立的模型可以充分借助Matlab在矩阵运算方面的优势，方便地模拟运动过程中关键点的位移、速度、加速度随时间的变化情况。两种方法建立的模型是该类离心机开展离心试验时运动参数设计的基础。
基于伪一维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和理想气体状态方程，并结合保持强稳定性的三阶Runge-Kutta格式和斜率限制器技术，构建一种整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法。分别对直圆柱形、指数形以及圆锥形谐振管内的非线性驻波进行数值仿真计算，通过与现有数值仿真结果对比，验证了本方法的正确性，并重现了已有试验中非线性驻波压力波形中的第二峰值。在直圆柱形和指数形谐振管内研究间断Galerkin方法的两种网格加密方式对于不同形状下谐振管内非线性驻波仿真计算的数值精度、消除数值振荡和准确捕捉激波的不同作用，以及不同CFL数对于数值精度的影响。在指数形谐振管内，通过与有限体积法不同网格数目下的数值仿真结果和计算时间对比，验证了本方法具有耗时短、效率高以及计算精度高的优点。在圆锥形谐振管内，研究不同流速下谐振管内压力和速度波形的变化，并发现随着流速的增加，谐振管小端处的压力幅值增加，大端处速度幅值也随之增加且速度波形中会产生激波。通过间断Galerkin方法分析研究几种谐振管内非线性驻波的各种物理属性，为谐振管形状优化提供了重要参考，也为实现谐振管内非线性驻波的工程应用奠定了良好的基础。
目前，尚缺乏模数超过50 mm的齿条齿根弯曲应力计算方法。为提高大模数齿条齿根应力计算的准确性，依据齿根疲劳裂纹扩展轨迹对折截面法进行修正，建立新的折-平截面齿根应力计算模型，并首次引入应力渗透因子标识折截面的宽度，采用积分迭代法推导出齿根弯曲应力和齿根压缩应力计算公式。对影响折-平截面法计算准确性的因素进行分析，研究折截面角、应力渗透因子和弯曲力臂长的计算方法;由模型计算得到的齿条齿根截面上各点的应力解析值与有限元计算得到的数值解基本一致。依托三峡升船机齿条试验平台对齿条齿根弯曲应力进行测试，应用最小二乘法拟合出转矩与齿根应力的关系，并得出名义转矩下的齿条齿根应力。将测试值、数值解与解析解进行对比分析，结果表明：折-平截面法的解析解误差约为5%，更接近实测值。提出的折-平截面法可用于齿根应力计算。
航空齿轮和航空发动机主轴轴承都采用喷油润滑的方式进行润滑，喷射油滴与机械零件表面碰撞后形成的沉积油膜的流动特性影响着机械零件的润滑状态和功能。由于有关喷射油滴与固体表面碰撞形成沉积油膜及其流动铺展特性研究较为鲜见，已有的相关研究集中于液滴/固体壁面正碰撞条件下的非油类液膜流动分析，故而对机械零件相关润滑分析计算支持极为有限。采用VOF方法建立了喷射油滴/固体壁面斜碰撞及其沉积油膜流动铺展数值分析模型，通过试验研究对数值分析模型进行了修正，进而基于此数值分析模型分析了航空传动零件润滑等效条件下喷射油滴/固体壁面斜碰撞沉积油膜流动铺展特性，通过与国外相关试验结果的对比验证了所提出的数值分析模型的正确性和实用性。所开展的喷射油滴沉积油膜的流动铺展特性研究，为航空机械零部件润滑计算提供了技术方法和基础数据，对于实现航空机械零部件精确润滑设计有明显的工程意义。
为了更准确地计算圆柱面切向接触刚度，本文考虑摩擦因素的影响，在圆柱面分形接触模型的基础上，引入存在摩擦时弹塑性变形的临界面积公式，并利用切向接触刚度的基本理论，推导考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型，并通过Matlab对上述模型进行仿真，研究不同参数(摩擦因数、分形维数、粗糙度幅值 、材料的特性参数、曲率半径)以及接触的形式对切向接触刚度的影响。仿真结果表明：切向接触刚度与法向载荷成正比关系，但随分形维数取值范围的变化分别呈现指数与线性规律。摩擦因数与切向接触刚度成反比关系;材料的特性参数对切向刚度的影响，不仅与分形维数有关，还与自身取值关联;分形维数，粗糙度幅值与切向刚度的关系，受分形维数和材料特性参数的影响呈现正比或反比趋势。另外，内接触比外接触时的切向刚度大;随着曲率半径的变大，切向刚度增加。该研究为后续开展高副结合面动力学分析提供理论 基础。
为了评定手动变速箱油摩擦特性对同步器性能的影响，研制了手动变速箱油摩擦特性评定试验台。阐述了试验台的总体结构与工作原理，设计了试验台的关键子系统，包括动力与传动子系统、换挡子系统、运动控制与数据采集子系统等。在研制的试验台上，对手动变速箱的换挡特性和工况参数进行了分析与测量，对试验台的整体性能进行了测试与评估。结果表明：试验台能够模拟变速箱同步器的实际运行工况，试验结果具有良好的重复性和区分性，能够评定出手动变速箱油的摩擦特性。
鲨鱼皮的减阻机制与其真实几何形态密切相关，针对目前仿生鲨鱼皮建模中参数化设计程度较低的问题，提出一种使用真实鲨鱼皮盾鳞数据进行参数化设计的几何建模方法。该方法将采集的鲨鱼皮μCT数据进行三维重建以获得盾鳞样本模型，并对盾鳞样本模型进行形态分析与参数定义。建立基于微分域网格变形算法驱动的参数化几何建模编辑系统，以实现盾鳞样本模型的几何形态设计。依据鲨鱼皮不同部位盾鳞模型的几何参数，实现了样本模型的参数化变形设计。试验结果表明该技术路线稳定可靠，变形设计过程无形态扭曲，最终结果能够反映鲨鱼皮不同部位盾鳞真实几何形态。
在加工汽车覆盖件模具复杂曲面时，机床-刀具刚度、刀具位姿变化、模具型面变化都会影响加工系统综合刚度，进而影响模具加工精度。以四轴数控加工中心为例，针对模具曲面特征设置相应采样点，依据多体小变形理论，通过点传递矩阵、雅可比矩阵等完成该采样点的加工系统综合刚度建模，并引入了力椭球。在刀具不同的空间姿态下，通过力椭球分析了机床横梁、刀柄、刀具、模具曲面特征等对加工系统综合刚度性能的影响，揭示了曲面模具加工系统综合刚度的分布规律。最后通过试验证明，该理论模型可以有效地优化复杂型面模具加工工艺，减小模具的加工误差。
针对始末速度不为零的非对称S型加减速时间难以规划问题，把加速度曲线分为7个时间段，对关于加速度变化时间的方程组进行分析，化简为一元高次方程，并根据其变化的单调性构造其平方函数，使其转换为单一凸形函数，进而利用牛顿迭代求出其收敛值并根据效率最优原则和加速度、速度约束条件进行修正;对匀加速度时间的规划，直接根据其公式特点，转换为一元二次方程进行规划并根据效率最优原则和加速度、速度约束条件进行修正;对于匀速运动时间直接根据一元一次方程的解法进行规划。该算法解决了现有始末速度不为零的S型加减速时间规划过程复杂、繁琐问题，提供了一种简洁、高效的加减速时间规划算法。通过仿真与试验可知，本算法求解效率提高10.8%，插补效率提高1.32%，插补效果满足精度要求，同时证明了该算法简洁、高效、运行稳定、能够满足高速高精数控要求。
中国散裂中子源(CSNS)的运行维护需要对活化的慢化器反射体进行定期的远程更换。在慢化器反射体遥操作维护工艺的设计中，最关键的一个工序是管道的剪切。传统的管道剪切工艺采用标准液压剪刀加装长柄工具实现远距离的剪切操作。由于管道位于深井环境，长柄与水平液压剪刀的组合方式在剪切操作时会存在管道扭曲，从而造成剪切效果不理想的情况。提出一种基于逆向工程与有限元分析相结合的防扭刀刃设计方法，通过逆向建模剪切刀刃、应力分析模拟剪切过程的应力分布以及对打孔位置进行优化设计等技术手段，有效地解决了遥控剪切自由管道时，剪刀与管道的姿态不协调问题，从而保护了刀具免受扭曲的管道造成的刀头损坏，并且提高了剪切效率。
