为实现基于代理模型方法高效求解状态方程隐式表达的动态优化问题，提出一种基于高斯混合模型聚类的空间划分策略，构建状态方程右端式的神经网络模型．根据状态方程右端式的非线性程度，将状态空间划分为多个不规则的局部区域，通过在各个局部区域上分别构建神经网络模型，以获得状态方程右端式的全局神经网络模型，进而基于全局神经网络模型求解动态优化问题．两个工程算例中，基于所提方法得到最优目标函数的近似值与精确值的误差分别为0.013 4%和0.003 0%，表明该方法保证了基于代理模型方法求解动态优化问题的精度．

针对传统姿态估计算法抗背景干扰能力弱、被遮挡目标识别精度差的问题，结合深度学习提出一种基于YOLO-6D算法改进的目标姿态估计模型．将原算法中的YOLO V2检测网络变更为YOLO V3网络，同时增添注意力机制以增强模型对背景复杂且存在遮挡的物体的检测能力，并且调整了位姿估计方法，选择单元群进行基于随机样本一致性(RANSAC)算法的EPnP姿态估计来提高估计精度．在LineMod数据集上进行训练，并在LineMod数据集和Occlusion LineMod数据集上进行测试，依据二自由度(2D)投影指标，当距离阈值为30个像素时，提出的算法在Occlusion LineMod数据集条件下精度为72.30%，在GTX2080Ti GPU(图形处理器)上运行速度为25帧/s，具备实时处理能力，综合性能超越其他基于卷积神经网络(CNN)的算法．

针对城市低空环境中物流无人机的航路规划问题，提出了一种综合考虑复杂空域限制、无人机运行风险和性能约束的改进元胞自动机算法．首先，采用栅格法对运行环境进行建模，以获取各栅格属性值和危险度，并对无人机运行风险进行评估；然后，基于环境信息依据演化规则更新元胞状态值，进而得到元胞步长；其次，引入代价函数回溯搜索可行元胞，并考虑无人机性能约束和回溯条件生成初始航路；最后，采用航路优化算法对初始航路进行优化，获得最终规划的无人机安全航路．仿真结果表明：改进元胞自动机算法通过航路优化，可减少无人机转弯次数，使得规划航路更为流畅；改进元胞自动机算法较传统算法生成的航路长度平均减少12.76%，航路风险平均减少13.92%，实现了在城市复杂环境中精准规划安全、高效的无人机运行航路．

为扩展仿生算法在求解工程设计优化问题方面的应用，模拟自然界的生态平衡机制，提出了一种新的仿生算法——牵制平衡算法．该算法以种群个数对应设计变量的维度，以种群规模对应设计变量的值，以物种间的牵制关系为优化驱动力，以系统达到稳态平衡为优化目标，构造了自成长函数、牵制函数和算法机制．通过对算法进行收敛性测试、不同基础资源测试和多物种求解测试，验证了算法的有效性．以三个工程设计问题为比对实验案例，实验结果表明：与现有算法相比，牵制平衡算法在这些问题中皆能获得优解，是一种具有实用性和竞争力的新算法．

针对深度学习存在的数据不足、质量不高的问题，将自编码网络的训练稳定特性和生成对抗网络的对抗特性相结合，提出了双重对抗自编码(CAAE)数据扩张方法，并将其应用到永磁同步电机(PMSM)故障诊断中．在模型训练过程中，利用网络模型学习原始数据的分布，将压缩后的变量和解码后的重构数据分别输入到对应的判别器，形成双重对抗，保证生成数据的质量．训练完成后，将满足特定分布的随机变量和类别标签输入到训练后的网络模型，即可生成相应类别的数据．以电机匝间短路为例，在自建电机数据集上，通过双重对抗自编码进行故障数据扩张，根据各项指标的提升验证模型的有效性．结果表明：与传统数据扩张方法对比，双重对抗自编码生成的数据质量更高，能够提高诊断准确率．

为了降低延迟交货率，针对以总延迟时间为优化目标的分布式装配混合流水车间调度问题，提出基于Q-学习的蛙跳算法．设计了问题的三串编码方法，并给出解码过程．将Q-学习嵌入到蛙跳算法的模因组搜索过程中，Q-学习算法包括由全局搜索、邻域搜索和解的接收准则组成的动作集合，和基于种群精英解和离散度而构建的6种状态．在算法运行过程中，根据种群的状态，利用Q-学习动态地选择执行的模因组搜索策略．实验结果表明：与现有算法相比，基于Q-学习的蛙跳算法在112个实例中均能获得更好或者相同的结果，表明基于Q-学习的蛙跳算法在求解考虑运输和装配的分布式混合流水车间调度问题方面具有较强优势．

以本安型电磁铁为研究对象，针对本安型电磁铁因功率受限及磁性材料固有特性而存在的力-位移特性差、电感大、驱动力不足的问题，以提升电磁铁启闭响应动态性能为目标，基于磁源重构的方法提出一种新型永磁式本安型电磁铁，通过引入径向磁化永磁环结构增大电磁力与力增长速率．利用电磁铁的等效磁路模型解释永磁式电磁铁更大的电磁力和力增长速率，同时采用麦克斯韦(Maxwell)有限元仿真软件进行电磁铁的静、动态性能对比分析，并探讨永磁环尺寸对响应时间的影响规律，发现永磁环厚度在6 mm左右时电磁铁的动态性能最佳．仿真结果表明：永磁式本安型电磁铁的电磁力比非永磁式增大6.9%，动态响应时间减少9.3%，具有较好的动态性能优化效果，且结构简单，易于控制，具有工业推广价值．

针对目前迷宫式、多级套筒式等调节阀在高温高压差工况下存在减压控速不平稳、空化严重等问题，提出了一种基于流体对冲能耗与多级流阻复合降压的空间转角蚁穴式多级调节阀，其关键节流元件内部流道由空间转角式多级流阻及对冲式流道两种结构组成，可实现对冲能耗及多级流阻的复合降压．对冲和转角处出现旋涡可进行能量耗散，流体经过一个减压级压力降低一个等级，实现了流体压力逐级降低．通过计算流体力学(CFD)流场仿真，分析了节流元件级间压力和速度随降压级数、不同压力等级的变化规律，仿真结果表明：采用该复合降压结构的对冲流道降压效率为单个转角降压(传统迷宫降压结构)效率的3倍，复合降压效率得到显著提高，采用多级流阻和流体对冲复合降压原理的节流元件在不同级数下均具有较好的线性平稳减压控速调节性能．最后搭建了实验测试平台，对不同降压级数的节流元件的级间压力进行了测试，实验结果与仿真结果具有较好的一致性，验证了理论分析的正确性．

设计了一种新型内啮合S型齿轮，并对其接触特性进行了深入分析．基于S型齿廓插刀和加工运动关系，推导了新型内啮合S型齿轮齿面方程，并对内啮合S型齿轮副进行了干涉检查．通过修形曲面与标准齿面叠加的方法构造修形齿面，在此基础上运用Matlab编程计算修形齿轮的三维网格节点坐标．利用轮齿接触分析(TCA)和承载轮齿接触分析(LTCA)研究内啮合S型齿轮在不同修形量和不同误差下的几何接触特性和加载接触特性，并给出了计算实例．结果表明：设计的新型内啮合S型齿轮不产生根切和干涉等，工作齿面接触良好，可以实现正确啮合传动；齿向修形后，内啮合S型齿轮齿面载荷分布得到改善，误差敏感性降低．

用能量法分析裂纹沿齿厚深度、裂纹倾斜角度和沿齿宽方向扩展长度三个方面对齿轮时变啮合刚度、载荷分配、传递误差的影响，用集中参数法建立圆柱齿轮平移-扭转动力学模型，模拟不同类型裂纹在齿轮系统中的动态响应，并用时频分析研究裂纹状态下齿轮传动系统的动力学特性，结果表明：随着裂纹沿齿厚深度、沿齿宽长度和裂纹倾斜角度的增大，齿轮的时变啮合刚度降低、传递误差增大，并对齿轮载荷分配造成影响；将时变啮合刚度作为齿轮系统的动态激励，发现主动轮在y轴方向振动位移的动力学响应增大且与故障下时变啮合刚度一致，呈现出周期性变化；用均方根、峭度等统计指标可诊断出齿轮传动系统中出现的裂纹故障，其中峭度对裂纹故障最为敏感．

针对变双曲圆弧齿线(VH-CATT)圆柱齿轮时变啮合刚度计算困难的问题，提出了受载变双曲圆弧齿线圆柱齿轮时变啮合刚度计算方法，通过引入齿面网格节点啮合刚度来计算单齿啮合刚度．分析了啮合过程中接触印痕、法向接触力、综合弹性变形量、节点啮合刚度的变化规律，得到了综合考虑齿间载荷分配和实际重合度影响的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮时变啮合刚度，分析了载荷和齿线半径对时变啮合刚度和传动误差的影响规律．结果表明：变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的时变啮合刚度和传动误差均呈周期性变化，载荷与齿线半径对时变啮合刚度和传动误差均有较大影响；随着载荷增大，时变啮合刚度和传动误差均呈增大趋势；随着齿线半径增大，时变啮合刚度呈增大趋势，传动误差呈减小趋势．

为了解决复合轮齿压缩机转子间泄漏严重和不光滑连接点多的问题，构建了全啮合型和销齿圆弧型复合轮齿转子，推导了其截面型线方程．采用理论分析和数值模拟相结合的方法，分析了两种新型复合轮齿压缩机的性能，并与现有复合轮齿压缩机的性能进行对比．结果表明：两种新型复合轮齿转子比现有轮齿转子的不光滑连接点少；销齿圆弧型复合轮齿压缩机性能最优，且相比现有复合轮齿压缩机，销齿圆弧型压缩机的内容积比增加7.67%，相对余隙容积减小23.08%．

为了从湍流脉动层面验证空化Reboud修正经验模型的有效性，利用同步辐射X射线的高穿透性和脉冲特性，发展了一种用于非透明空化内部流场测量的快速成像技术．基于该技术对二维文丘里型通道喉部区域产生的典型空化现象进行了实验研究，实现了空化流动中瞬态速度场和密度场的同步采集，并通过数据处理得到了平均速度场、湍动能和雷诺剪切应力等空化流场数据．实验结果分析表明：在空化边界层内，汽液两相混合物的存在显著改变了湍流脉动场的分布；雷诺剪切应力与湍动能比值(τ/k)不是混合物密度(ρ)的线性函数，不符合Bradshaw假设；常数n=10的Reboud修正模型与实验结果趋势足够接近，能够预测出较为准确的雷诺剪切应力和湍流黏度水平，因而可以正确模拟空化形态随时间演变的整体特性．

为实现子母叶片泵全流场的精确建模，对其旋转流域进行等效简化，通过理论分析推导出简化后模型损失的流量计算公式，并采用减小母叶片工作域中叶片厚度的方法等效补偿．在PumpLinx®软件中创建子母叶片泵全流场的三维计算模型，并将实验数据作为仿真的边界条件，对比实验与等效补偿模型计算获得的子母叶片泵容积效率，最大差值仅为3.45%．在相同条件下，将无补偿模型和等效补偿模型在不同转速下的平均输出流量分别与实验和理论计算结果进行对比分析，结果表明：在600～1 500 r/min范围内，等效补偿模型的平均流量与实验结果的最大差值为0.99 L/min，而无补偿模型的最大差值则达到3.34 L/min；仿真结果的损失流量占比在8.06%～8.19%范围内，与理论计算结果8.30%具有较高的一致性．

针对单自由度含间隙碰撞振动系统的混沌运动控制问题，提出一种基于局部旋转量子粒子群优化算法优化径向基函数神经网络的双参协同智能优化控制方法．首先，数值仿真得到了系统在(ω,ζ)参数平面内的运动分布图，并结合分别以激励频率ω和阻尼比ζ作为研究对象的单参分岔图和李雅普诺夫指数谱图，分析了参数变化与混沌运动向周期运动转迁之间的关联关系；其次，将激励频率和阻尼比引入径向基函数神经网络控制器输入变量的构造中，提出了满足预期控制目标需求的混沌运动双参协同智能优化控制策略，从而借助径向基函数神经网络的非线性映射特性，使得激励频率和阻尼比对系统动力学性态转迁的综合影响得以在控制器输出变量中体现；最后，提出了局部旋转量子粒子群优化算法优化控制器的参数，实现将混沌运动控制为预期的周期运动．

针对传统Cosserat梁模型中运动学方程组变量冗余、并非独立及模型中材料模量设定方法不明确的问题，提出一种基于方向余弦阵的Cosserat梁运动学方程简化形式和一种基于多项式拟合的模量设定方法．改进后的建模方法不仅具有更高的模型求解效率，而且求解结果可以更加准确地反映超弹性材料属性．数学仿真及有限元分析验证结果表明：所提出的模量设定方法能够很好地反映柔性臂稳态弯曲形状，同时算法的求解时间得到了较为明显的减少．

针对倒装芯片内部焊球缺陷难以检测的问题，提出了基于声固多物理场耦合的超声激振检测方法．首先，建立倒装芯片超声激振检测仿真模型，模拟了含有典型缺陷(缺球和虚焊)的倒装芯片在超声激励下的振动响应，仿真结果显示焊球缺失和虚焊会引起倒装芯片振动速度的明显变化；其次，搭建超声激振倒装芯片检测系统，对倒装芯片进行检测，获取含不同缺陷倒装芯片的实际振动信号；最后，利用核主成分分析算法改进多粒度级联森林网络，对含典型缺陷的倒装芯片振动信号进行识别与分类．仿真和实验结果验证了基于多粒度级联森林网络和超声激振技术检测倒装芯片焊球缺陷的有效性．

基于仿生学原理对生物结构进行合理简化，并将简化后的仿生织构应用于海水管路，分析带仿生织构的海水管路的声振特性．基于循环水管路实验平台，实验研究了典型海水管路附件，佐证了数值计算方法的可靠性；进一步对带仿生织构的海水管路进行实验，验证仿生织构减振降噪的有效性．结果表明：在低频处，管路主要以流噪声为主，流噪声峰值频率依赖于管路声学模态；仿生织构的存在可以改善出流段流速分布，抑制壁面速度过大引起的流体分离现象，减少涡量的产生；其中仿生织构布置在入口段中间、入口段尾部、出口段首部及出口段中间情况下对流场分离的改善较为明显，可以抑制弯头内侧出的低速流体聚集，对弯管声振特性影响的效果最好．

以某泵喷推进器为研究对象，在以标模桨E779A进行数值验证的可行性研究基础上，针对泵喷推进器的流场特性进行计算，并将稳态结果与实验值进行对比验证，最后采用计算流体力学和声学比拟耦合方法对泵喷推进器各部件的近场噪声源和远场辐射噪声进行计算分析．结果表明：在表面噪声源强度分布上，占据声强的主要贡献部分分布在导管和定子前缘及内壁面、转子的叶梢及导边处；从声压级频谱结果来看，整体部件和转子部件在叶频及其谐频处呈现明显的线谱特性；在对噪声的贡献量上，转子部件占主导部分，定子贡献最少；在声场指向性上，轴向平面上各监测点总声压级指向性呈“8”字形分布，表现为偶极子声源特性．该研究结果对泵喷推进器噪声特性研究及降噪设计有一定的参考作用．

为定量评估进水平衡系统的平衡能力，对舰艇进水平衡过程中船体、水流、气流之间的耦合效应开展研究．通过构建水流与气流的微分方程，联立舰艇平衡方程组，提出了舰艇进水平衡过程的耦合时域微分方程组及求解算法．通过船模实验验证该模型准确性，并揭示了舰艇进水平衡过程存在横倾迅速增大、横倾增速趋缓、横倾快速减小、横倾缓慢减小和横倾趋近平衡共五个进水阶段．针对不同规格的通气管与连通管，基于该模型对其平衡能力进行量化对比分析，进而得出进水平衡系统的最优设计方案．

为深入理解船舶上层建筑结构表面细观结冰现象及机理，建立了考虑过冷度和动态接触角影响的单个过冷水滴撞击冷壁面后冻结过程数值模型．该模型基于Fortran编程语言，采用焓-孔隙度相变方法和耦合流体体积法(VOF)与水平集法(level-set)的VOSET气液界面追踪方法，同时追踪了固-液和气-液两种界面，并实现了气-液-固三相的统一显示，模拟结果与相关实验结果一致．选用的Kistler动态接触角模型能够在较大接触线速度范围内(如-8～12 m/s)保持较高准确性．进一步探讨了水滴过冷度、表面接触角及初始速度对水滴撞击及冻结过程的影响，结果表明：表面接触角越小，过冷度越大，会导致水滴冻结速率增大，并且水滴最大铺展直径与初始速度成正比．

为了安全高效地开采矿产资源，提出一种AVOA-XGBoost模型来预测岩爆烈度．依据初步选取的6个评价指标收集了326个岩爆案例，并采用Boruta算法和合成少数类过采样技术(SMOTE)进行特征筛选和解决类不平衡问题．经过预处理后的数据集通过分层抽样被划分为训练集(80%)和测试集(20%)，分别用于训练和测试模型，结果表明：非洲秃鹰优化算法(AVOA)可以高效地确定XGBoost算法的超参数；与现有的智能模型相比，该模型的准确率优异，Kappa系数为0.92，且较单一的XGBoost模型表现出更优的收敛速度；对特征的重要性分析发现岩石的弹性能量指数对模型的贡献最大．最后，将模型应用于三山岛金矿工程案例，验证了AVOA-XGBoost模型在岩爆预测中的有效性和实用性．

针对花岗岩残积土分布广泛，具有遇水软化、崩解的特性，易产生滑坡、泥石流等地质灾害的问题，提出了一种新的利用微生物诱导碳酸钙沉积技术进行坡面防护的方法．通过室内渗透试验和冲刷模型试验，对比分析了微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)加固花岗岩残积土的抗渗特性和抗冲刷特性．微生物诱导碳酸盐沉淀处理后的土样渗透性降低了90.8%，径流速率和侵蚀速率分别降低25.0%和96.1%．此外，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了加固的微观机理．结果表明：微生物诱导碳酸盐沉淀生成碳酸钙晶体对土壤颗粒进行胶结和孔隙填充，使土体表面板结，提高了土体的完整性和抗渗性，从而提升边坡的稳定性和抗冲刷性；同时，相较于传统喷射混凝土坡面防护具有绿色、可持续的优点，具有良好的应用前景．

针对中国铁路轨道系统(CRTS) Ⅲ型板式无砟轨道结构在反复的列车荷载及复杂服役条件下，轨道结构容易产生高周疲劳损伤问题，以自密实混凝土层为研究对象，编写了高周疲劳损伤本构关系的材料子程序，采用全耦合法探究了列车荷载变化、初始劣化、板端离缝对填充层疲劳损伤的影响规律．结果表明：采用全耦合法能够揭示疲劳损伤与结构应力之间的耦合关系，弥补了传统解耦法结构应力不随损伤累积而变的局限性；列车荷载变化及自密实混凝土初始劣化，填充层在服役期内的损伤累积近似服从迈纳(Miner)准则；板端离缝为自密实混凝土层疲劳损伤的主要影响因素；考虑复合因素作用对填充层疲劳损伤的影响，当离缝长度为0.9 m时，疲劳损伤非线性累积，弯拉应力随损伤累积逐渐减小，当离缝长度为1.2 m时，填充层疲劳破坏，应力重分布，减小的弯拉应力向未损伤区域转移．