目前机器人已在工业生产制造中得到广泛的应用，但由于机器人系统中关节摩擦等因素的影响，机器人的轨迹跟踪精度难以满足高精度生产的需求。为减少机械结构中非线性摩擦因素和系统中未建模干扰等因素对机器人运行稳定性和加工精度的影响，文中提出了一种速度模式下的摩擦补偿控制算法。首先，基于傅里叶级数和5次多项式混合的方式设计最优激励轨迹，通过最小二乘法完成动力学参数的预辨识，并利用Levenberg-Marquardt法对预辨识结果进行迭代寻优，从而建立更为精确的机器人动力学模型；然后，基于李雅普诺夫方法设计机器人轨迹跟踪控制算法，将最速离散跟踪微分器中采集的关节角度输入所设计的轨迹跟踪控制算法中，得到实时的关节速度补偿值，将补偿值实时输入机器人中实现摩擦补偿控制；最后，以六自由度串联机器人为实验对象，对所设计的摩擦补偿控制算法进行实验验证。结果表明，相对于摩擦补偿前，机器人的末端轨迹跟踪精度提升约35%，从而验证了文中所提算法在机器人摩擦补偿领域的有效性。

碰撞检测技术可以降低设备损坏和人身伤害的几率，在现代化的人机协作生产中起着重要的作用。实现免外力矩传感器的碰撞检测需要准确地估计工业机器人受到碰撞时的关节外力矩。然而，动力学模型的参数辨识误差以及电机电流的测量误差等因素会影响外力矩估计的准确性。为了解决这些问题，本文设计了一种扰动卡尔曼滤波外力矩观测器。该观测器基于扰动原理将外部碰撞等效的外力矩作为扰动项，并定义关节扰动模型。同时，引入机器人的广义动量构建状态空间方程。考虑到动力学模型的参数辨识以及电机电流的测量存在误差，基于卡尔曼滤波算法进行迭代估计，从而得到最优的外力矩观测值。为了提高碰撞检测的灵敏度，本文提出了一种随关节速度变化的时变对称阈值函数，用于实现碰撞检测。该方法可以根据关节速度的变化调整阈值，以适应不同工作速度下的外力矩观测值。实验结果表明，与广义动量观测器相比，所提出的观测器在外力矩估计的整体精度上提高了52.03%。为了验证所提方法的有效性，本文利用6自由度串联关节型工业机器人进行了碰撞检测实验。实验结果显示，相比于静态阈值，采用时变阈值的方法缩短了58.06%的检测延时，从而可以提高碰撞检测的灵敏度，更有利于工业机器人的安全操作和碰撞防护。

液压驱动的重型机械臂被广泛应用于工程机械和矿山机械，对其进行自动控制在行业内具有迫切的需求。然而，液压系统的强参数不确定性和难以建模的动态等因素的影响，给其自动控制带来了一定的挑战。文中以某锚杆钻车为例，研究了一类重型液压机械臂驱动液压缸的位置跟踪控制问题，提出了一种模型前馈补偿自抗扰控制器。为解决重载下变负荷、死区、参数不确定以及摩擦等非线性因素带来的控制难题，采取模型前馈与自抗扰反馈相结合的控制方法，将重型液压机械臂的机构动力学模型和比例阀控液压缸模型相结合，建立了系统的机理模型，然后基于系统的机理模型，构建了控制器的前馈补偿部分；设计了扩张状态观测器对系统的未建模因素进行实时观测，再加上基于状态误差的反馈调整构成了自抗扰控制器。最后在实际的重型液压机械臂上进行了实验研究，结果表明：基于模型前馈补偿的自抗扰控制器相比于PID控制器，具有更小的滞后和跟踪误差，整体跟踪精度比PID控制器提升了63.5%，说明所设计的控制器可以很好地克服液压系统的非线性因素的不利影响，比PID控制器具有更高的鲁棒性，因此所设计的控制方法更适用于此类重型液压机械臂的位置跟踪控制。

为进一步提高摆线针轮减速机的传动效率，对减速机传动效率的影响规律进行了深入研究，提出了考虑设计参数与工况参数变化的摆线针轮减速机传动效率计算模型，并对参数进行了优化。首先，考虑摩擦力和啮合齿隙，建立了摆线针轮传动机构的多齿承载接触分析模型，计算了摆线针齿啮合力与载荷分布规律；然后，考虑摆线针轮减速机的啮合损耗、输出损耗、轴承损耗、润滑损耗和密封损耗，提出了摆线针轮减速机传动效率计算模型，并分析了设计参数和工况参数对摆线针轮减速机传动效率的影响规律。研究表明，在考虑摩擦受力的情况下，转速、负载、针齿销半径、针齿分布圆半径、偏心距、针齿套半径是影响传动效率的主要参数，针齿销数、柱销分布圆半径、柱销半径和摆线轮齿宽次之。最后，以齿轮强度、齿轮宽度、齿廓形状、齿间间隙和承载能力作为参数优化范围，将效率和体积作为目标对设计参数进行多目标优化分析，得到最优参数解，进而获得了更小体积、更高传动效率的摆线针轮减速机。

多目标识别及六自由度（6-DoF）位姿估计是实现物料无序堆放状态下机器人自动分拣的关键。近年来，基于深度神经网络的方法在目标识别及位姿估计领域受到广泛关注，但此类方法依赖大量训练样本，而样本的采集及标注费时费力，限制了其实用性。其次，当成像条件差、目标相互遮挡时，现有位姿估计方法无法保证结果的可靠性，进而导致抓取失败。为此，文中提出了一种基于合成数据样本的目标识别、分割及位姿估计方法。首先，以目标对象的3维（3D）几何模型为基础，利用3D图形编程工具生成虚拟场景的多视角RGB-D合成图像，并对生成的RGB图像及深度图像分别进行风格迁移和噪声增强，从而提高合成数据的真实感，以适应真实场景的检测需要；接着，利用合成数据集训练YOLOv7-mask实例分割模型，运用真实数据进行测试，结果验证了该方法的有效性；然后，以分割结果为基础，基于ES6D目标位姿估计模型，提出了一种在线姿态评估方法，以自动滤除严重失真的估计结果；最后，采用基于主动视觉的位姿估计校正策略，引导机械臂运动到新的视角重新检测，以解决因遮挡而导致位姿估计偏差的问题。在自行搭建的6自由度工业机器人视觉分拣系统上进行了实验，结果表明，文中提出的方法能较好地适应复杂环境下工件的识别与6-DoF姿态估计要求。

为早日实现“双碳”目标，轻量化制造是必经之路。铝合金以其低密度、高比强度和可回收利用等优点脱颖而出，并且具备高塑形、优良耐腐蚀能力从而可以广泛应用于各行各业，但因为其特殊的热物理性质及复杂的合金化学成分，使其焊接过程中极易出现气孔、热裂纹等焊接缺陷，其焊接难题限制了铝合金在轻量化之路的进一步发展。激光 — 电弧复合焊接技术结合激光焊接技术与电弧焊接技术的优势，以其大焊接熔深、高焊接效率、高焊接质量著称，并逐渐成为铝合金高效优质焊接的重要熔焊工艺。为掌握铝合金激光 — 电弧复合焊的研究现状，本文首次通过文献计量学的方法定量分析了Web of Science（WoS）数据库中1995—2021年已发表的该领域的学术论文，并通过使用VOSviewer软件对WoS数据库数据进行了可视化处理。结果表明，焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能及激光与电弧的相互作用为研究热点，因此本文从上述领域对铝合金的激光-电弧复合焊接进行了总结与分析，并结合激光-电弧复合焊接过程中的在线监测技术与新型激光在复合焊中的应用展开讨论分析，得出激光-电弧复合焊接铝合金中接头类型的选取，微观组织的分布，力学性能的提升措施及复合热源的相互作用机制。旨在为后续研究激光-电弧复合焊接铝合金提供参考。最后，基于当下的研究现状，本文提出了该领域面临的挑战及未来工作展望。

电池包作为电动汽车的核心部件之一，对电动汽车的整车性能有着关键性的影响。而在电动汽车的运行过程中，电池包会不断受到来自路面的持续性冲击力，造成电池包的疲劳损坏，对驾驶员和乘客的安全以及整车性能造成一定的影响。本文以电动汽车电池包为研究对象，建立了电池包随机振动试验方法与疲劳寿命的计算方法。先对振动台、工装夹具和电池包进行扫频分析，得到振动台台面、夹具空载端板、电池包与工装夹具连接端板处的加速度传感器的测量数值与输入扫频加速度值保持一致，验证振动信号的有效传递，确保输入的振动信号能够准确传递至电池包，然后开展电池包随机振动试验。并对电池包进行了电芯性能检测、气密性检查、绝缘电阻检查和共振频率检查，得出电池包的损伤部位。研究了电池包疲劳损伤计算方法，对电池箱、电池模组和电池包内各连接方式进行了精细化建模。基于精细化模型，进行了电池包频响特性的计算。基于计算得到的频响特性和实车路谱采集试验得到电池包随机振动载荷谱曲线，采用Goodman疲劳寿命估算方法和Miner线性累积损伤法则，并结合电池包材料S-N曲线，对电池包进行了随机振动疲劳损伤分析。试验得到的电池包结构损伤部位与分析得到的失效部位具有较好的一致性，证实了本文提出的疲劳损伤计算方法的准确性。

柔顺精密定位平台是精密装备的核心部件，其高速、高精度的定位操作要求平台具有高响应速度与良好的调节能力，被动阻尼可以有效地提升平台的快速响应能力。为了提升含局部谐振阻尼的XY柔顺定位平台的快速响应能力，该文提出了一种综合提升模态阻尼与固有频率的柔顺平台优化设计方法。首先，根据弹性理论以及卡氏第二定理，完成了平台刚度的解析建模与刚度综合，并推导了平台固有频率的表达式。然后，以控制增益最大为目标，建立了固有频率与共振区频响曲线面积构成的单目标优化函数、平台优化设计问题的数学表达式以及ABAQUS-Python-Matlab联合优化模型。为简化有限元计算的复杂度，基于平台一阶固频等效，建立了优化后平台的等效结构。通过对优化后的平台进行仿真分析，验证了固有频率解析表达式的正确性。最后，通过搭建实验平台，对含局部谐振阻尼的XY柔顺平台进行了静态、动态和轨迹追踪实验。结果表明，所提出的综合优化方法可使平台X轴和Y轴控制带宽分别提高7.42%和24.70%，并有效提升系统的轨迹追踪性能。

铝镁合金以其质量轻、耐腐蚀等良好材料性能，广泛应用于各个领域。针对当前铝镁合金砂轮磨削加工存在的效率低、表面质量难以保证、砂轮表面易发生粘附等问题，提出采用砂带磨削技术对铝镁合金进行加工。为研究铝镁合金砂带磨削工艺规律以及在磨削过程中容易产生的粘附特性问题，运用36、60两种目数的氧化铝陶瓷、碳化硅和锆刚玉砂带进行铝镁合金磨削实验，分析不同磨削压力和砂带转速下的铝镁合金材料去除率、磨削噪声、磨削能耗和砂带材料粘附率的变化规律。结果表明：在相同磨削参数下，3种砂带中锆刚玉砂带因磨料韧性、抗冲击性、锋利程度更优，其材料去除率最高，粘附率最低，但磨削噪声和能耗更大，故在铝镁合金砂带磨削中，如果不考虑噪声和能耗的影响，可选择锆刚玉砂带以提高磨削效率；3种砂带的磨削压力达到20 N后，砂带粘附达到稳定形成阶段，磨屑堵塞磨粒间隙，使材料去除效率降低。这一结论可为铝镁合金砂带磨削压力参数的选取提供参考；在10~30 N、1 500~3 500 r/min的工艺参数范围内，磨削压力和砂带转速对材料去除率、粘附率都有很大影响，但砂带转速对磨削噪声的影响更大，磨削压力对磨削能耗的影响更大。研究结论可为提高铝镁合金砂带磨削效率与质量，降低磨削噪声与能耗提供一定参考。

大尺寸薄壁壳体尺寸和质量大，容易变形，装配精度要求苛刻。为满足航天器壳体对接装配的高精度需求，需对壳体装配偏差进行主动预测和调控。该文以某大型薄壁壳体为研究对象，采用小位移旋量法对舱段关键特征误差进行表征，得到舱段几何误差的旋量表达式以及旋量参数之间的约束关系，建立了考虑壳体关键特征误差的并联和串联装配链累积路径，并基于雅克比旋量理论对舱段装配偏差进行表征，得到基于改进雅克比旋量的舱段装配偏差传递模型。利用蒙特卡洛模拟方法对改进的雅可比旋量模型的装配阶差合格率进行数值模拟，并与仿真分析结果进行对比，提出一种量化各类误差贡献度的计算方法。以加工总成本最小为优化目标，以各类误差的变化关系和装配阶差要求为约束条件，提出一种考虑误差贡献度的舱段公差优化分配策略。对优化前后的舱段装配成功率和装配阶差合格率进行对比，发现该文方法可使壳体装配阶差合格率由原来的88.12%提高到99.56%。该文提出的研究方法可为设计人员进行主动公差设计提供理论参考。

通过快速模具制造可打印熔模铸造用的蜡模，缩短生产周期，提高生产效率。但在实际成型过程中，由于制件不同位置的温度分布不均，会造成内应力差异，导致制件翘曲变形，进而对制件的成型质量产生较大的影响；而且，受3D打印速度和沉积层数等成型参数的制约，较难在降低制件翘曲变形程度的同时提高成型效率。有鉴于此，文中通过建立成型制件翘曲变形的数学模型，并结合实验设计与数学计算等方法，探究打印速度对铸造蜡直写成型翘曲变形程度与打印效率的影响机制。实验结果显示：在一定打印速度下，试样翘曲值随沉积层数的增加而减小，且随着打印速度的不断增加翘曲值逐渐变大；成型打印速度越高，不同试样的打印耗时越接近于某一稳定值，表明打印速度对成型效率的影响随打印速度的增加而降低。文中还通过对成型翘曲变形和打印效率分别赋予权重系数，建立了表面轮廓最佳打印速度连续函数模型，并验证了模型的有效性。研究结果表明，基于铸造蜡成型翘曲变形建立的最佳打印速度连续函数模型可在降低翘曲变形的同时提高打印效率。

自润滑关节轴承在服役过程中，衬垫的磨损导致自润滑关节轴承内外圈之间产生间隙，自润滑运动副间隙的存在加速了内外圈之间的碰撞以及衬垫的进一步磨损，对自润滑关节轴承的动力学特性产生较大的影响。此外，衬垫的磨损还会导致各构件非线性特性的恶化，降低自润滑关节轴承的稳定性。为研究织物衬垫磨损对自润滑关节轴承动力学响应的影响，文中建立了带间隙的自润滑关节轴承运动副矢量模型。首先，通过修正Lankarani-Nikravesh（L-N）法向接触力模型和改进的库仑摩擦力模型，对内外圈间隙处的碰撞力进行建模；然后，基于牛顿第二定律建立了含间隙的刚柔耦合动力学方程；最后，分析讨论不同织物衬垫磨损量和不同摩擦因数条件下含间隙的自润滑关节轴承传动系统的动力学特性，并利用相图和Poincare映射图分析了自润滑关节轴承的非线性特性。结果表明：随着织物衬垫磨损量的增加，自润滑关节轴承内圈和外圈的动力学行为表现出非线性特性；衬垫磨损量一定时，随着衬垫摩擦因数的增加，系统稳定性得到提高，抑制了混沌现象的发生。

穿戴踝关节假肢是膝下截肢患者恢复行走能力的重要手段。下肢假肢按照能否主动输出转矩分为被动假肢和动力假肢，其中动力假肢分为主动假肢和主被动混合假肢。被动踝关节假肢不能提供主动扭矩，应用场景有限；动力踝关节假肢能够输出主动扭矩，但存在低被动摩擦与高主动传动比不兼容问题。为了提高踝关节假肢的性能和适应性，从实际应用角度出发，基于电液直驱原理，提出了一种主被动混合踝关节假肢的新构型。首先，基于对人体踝关节角度及扭矩的分析，设计了踝关节假肢驱动系统，并提出了主被动混合踝关节假肢的总体设计方案；然后，建立了假肢系统的数学模型，通过对假肢液压系统的仿真分析验证了的假肢系统的合理性，并研制了假肢原理样机；最后，通过台架测试和人体穿戴假肢行走实验对假肢的性能进行了验证。实验结果显示：适配者行走步速为1.0 m/s（接近成年人的平均行走速度）时，假肢踝关节主动输出最大扭矩为28 N·m。研究结果表明：提出的主被动混合踝关节假肢可以实现人体行走过程中的主动助力功能，并能较好拟合人体踝关节运动姿态，增强了穿戴适应性，同时使假肢的体积和质量得到了进步的减小，为动力型下肢假肢的研究提供了设计思路和参考依据。

为更深入地研究齿背啮合对齿轮系统非线性动力学响应的影响，提出了一种考虑齿背啮合的齿面动态接触与系统动力学耦合分析方法。首先，通过分析齿背啮合机理，揭示了齿背啮合与正常啮合的模型差异及相位关系。然后，建立了考虑齿背啮合的齿轮系统动力学模型，并结合齿轮副动态承载接触分析（DLTCA）模型，提出了系统“激励—响应—反馈”闭环的动力学耦合分析方法。该方法不仅考虑了振动位移对齿面动态接触状态的反作用，还考虑了齿侧间隙、齿面误差等因素的影响，可得到更为真实的齿轮动态啮合刚度及系统响应。研究结果表明：齿背啮合主要影响系统降速阶段的振动，对升速阶段的影响并不明显；增大齿侧间隙会增大齿轮系统的主共振转速区间，且系统振动对齿侧间隙变化的敏感度会随着间隙的增大而减小；当齿侧间隙较小时，其主要通过齿背啮合来影响系统的非线性振动特性；齿背啮合不但会改变系统发生混沌的转速，而且会改变同一转速下的混沌状态。该文研究结果可为齿轮系统的非线性动力学控制提供一定的理论指导。

为改善电动汽车电池箱的性能，加强各组件的安全可靠性，以某电动汽车的电池箱体为研究对象，对箱体内不同位置的电池模组的加速度响应进行研究，发现z方向3组电池模组的功率谱密度曲线的计算值和试验结果吻合性较好。考虑箱体上盖、箱体前端件、箱体后端件、箱体中部件、模组固定支架和加强件的尺寸参数，建立了电池箱主要部件的尺寸参数与固有频率、变形量和振动响应关系的响应面代理模型，开展了电池箱随机振动和机械冲击的计算，并验证了模型的正确性。基于Box-Behnken响应面法设计试验，获得了6个设计变量、3个水平的试验组合，得到相应的试验设计矩阵。采用多元回归分析拟合得到了多项式响应面近似模型，并使用多目标遗传算法进行迭代和优化，得到电池箱体的最佳尺寸参数。试验结果表明，与原模型相比，优化后箱体的一阶固有频率提高29.12%，变形量减少29.39%，振动响应降低40.31%，实现了轻量化。该文的建模和分析方法可用于计算电池箱体零部件对电池箱整体结构的影响，通过优化设计改善电池箱体的性能，加强各组件的安全可靠性。

为探寻有效的随机振动下橡胶隔振器疲劳寿命计算方法，以某电动汽车空调压缩机橡胶隔振器为研究对象，开展隔振器路谱采集试验，获得隔振器主动端的加速度时间历程信号。利用傅里叶变换方法将加速度信号转变为加速度功率谱密度，以加速度功率谱密度作为载荷输入，在变温恒湿环境下开展了压缩机橡胶隔振器的随机振动试验，观察到橡胶隔振器主簧部位出现开裂现象。建立了橡胶隔振器的有限元模型，开展了静态特性试验，静态刚度仿真值与试验值相对误差在\pm5%以内，验证了有限元模型的有效性。利用ABAQUS进行了单位载荷下橡胶隔振器的频率响应分析，提取橡胶单元应力响应功率谱密度并导入Fe-safe中，以加速度功率谱密度为载荷输入，计算隔振器的疲劳寿命，计算结果与随机振动台架试验结果的相对误差仅为2.5%，并可有效预测橡胶隔振器橡胶单元的疲劳危险位置。最后，通过对橡胶隔振器进行结构改进，使其疲劳寿命延长至改进前的2.8倍，满足了疲劳寿命设计要求。该文研究结果有利于缩短橡胶隔振器的产品设计周期，降低样件试验成本。

采装作业是露天煤矿开采过程的中心环节，其能耗占露天煤矿总开采能耗的大半，决定了开采效率与设备能耗。传统露天煤矿采装作业由人工操作矿用电铲完成，存在挖掘满斗率低、能耗高等问题。为进一步降低能耗，该文着眼于矿用电铲的无人化和智能化发展趋势，对矿用电铲的最优挖掘轨迹进行研究。首先，对矿用电铲工作装置进行了运动学分析，通过运动学正反解揭示装置位姿空间和关节空间的关系。其次，对矿用电铲工作装置进行了动力学分析，基于挖掘过程中装置的静力学分析以及对动态挖掘阻力、物料重力的分析，构建了工作装置的拉格朗日动力学方程。然后，基于粒子群优化算法，结合轨迹规划的优化设计模型，得到单位体积物料挖掘能耗最优的矿用电铲挖掘轨迹，分析了物料堆面特性、运行参数、拟合函数对电铲工作装置能耗以及运行稳定性的影响，并提出了兼顾节能与稳定的挖掘轨迹规划策略。最后，开展了矿用电铲最优挖掘轨迹规划的实验研究。结果表明，所提出的单位体积物料挖掘能耗最优的轨迹规划方法能够兼顾矿用电铲挖掘的高效性和节能性。

细长桁架臂是桁架臂起重机的关键工作部件，卸载反弹冲击是威胁细长桁架臂起重机结构安全的重要工况。为研究细长桁架臂在卸载冲击下的动力学行为，采用刚柔耦合多体仿真方法和起重机卸载冲击实验方法探讨了桁架臂卸载反弹条件下动应力的变化规律，推算了细长桁架臂卸载冲击动载系数。以装备细长桁架臂的动臂塔机为对象，采用刚柔耦合方法建立了包含载荷模型和结构动态特性模型的动臂塔机精细化仿真模型，分析了桁架臂反弹振动引起的动应力变化，发现了桁架臂卸载反弹动应力的分布规律。根据不同臂长的起重机起升性能表，研究了仰角-动应力关系曲线与起升性能曲线之间的关系，发现起重臂的臂中出现最大动应力所对应的起重机突然卸载工况。根据起重机卸载冲击仿真结果，建立了基于仿真预测的起重机卸载冲击实验方法，实施了细长桁架臂系列载荷卸载反弹实验。桁架臂动应力实验值与仿真值之间的误差小于13%，证明精细化模型仿真是求解桁架臂卸载冲击响应的有效工具。通过模型仿真进一步预测了极限工况下细长桁架臂卸载冲击动载系数，发现起重机设计规范中关于卸载冲击动载系数的相关规定存在缺陷，探讨了桁架臂的长细比对卸载冲击动载系数的影响，为细长桁架臂的结构优化设计提供依据。

针对神经源性、肌源性膀胱缺乏有效治疗手段的现状，从工程学角度提出了一种新的解决方案——人工逼尿肌系统。基于形状记忆合金（SMA）弹簧的形状记忆效应，设计了由无线能量传输模块、控制模块、反馈模块和执行模块组成的系统结构，旨在实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中首先建立了人体膀胱的有限元模型，仿真分析了人体膀胱的储尿和辅助排尿过程，在仿真结果的基础上结合SMA弹簧的数学模型，对SMA弹簧致动器的结构参数进行了优化设计；其次，结合实验数据推导了SMA弹簧温度-自由高度方程；然后，结合热力学公式和弹簧数学模型推导了系统控制方程，并在此基础上提出了系统开环控制策略；最后，基于系统的反馈模块，设计了比例积分微分（PID）闭环控制策略，并搭建模拟实验平台研究了系统的尿流率特性。结果表明：系统原理可行，辅助排尿过程连续可控，在应对不同尿液容量时两种控制策略均能实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中结果可为设计适用于临床的人工逼尿肌系统提供指导，也可为其他以SMA弹簧作为致动器的植入装置的设计提供借鉴和参考。

水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界，由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性，水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性，容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象，成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中，并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域，采用水平集函数插值可以得到带宽范围内［0，1］区间连续分布的材料密度，并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势，使优化过程中材料密度变化保持连续，可以提升参数化水平集方法的稳定性，得到更优的目标函数值，并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性，计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。

为解决高温高压工况下调节阀的不平衡力及密封力难以达到所需泄漏等级的问题，设计了一种大阀芯和小阀芯分段配合工作、充分利用阀前介质压力增加阀座密封力的双阀芯先导笼式调节阀。文中给出了调节阀的不平衡力计算公式、流量方程，分析了其流量特性，并对阀内流体的流动进行了仿真，分析了流体流过调节阀后的压力损失；对大阀芯内腔进行了流体流动仿真，分析了阀前压力、内腔温度以及密封力的变化；对大、小阀芯进行了运动仿真，分析了执行器驱动力、阀芯轴向合力和大阀芯速度的变化。常温介质阀体耐压试验和阀座泄漏量试验结果表明，阀体均无可见泄漏和变形，泄漏量设定为10滴/min时，3次实测泄漏量分别为1、1和2滴/min。高温介质阀座泄漏量试验结果表明，泄漏量设定为1.275 mL/min时，250 ℃高温水蒸气的3次实测泄漏量分别为0.11、0.11和0.13 mL/min，300 ℃高温水蒸气的3次实测泄漏量分别为0.19、0.19和0.22 mL/min，实测泄漏量均小于设定值。文中提出的双阀芯先导笼式结构增强了调节阀的密封力，阀体耐压强度和阀座密封性能均满足使用要求。