第二届“上银优秀机械博士论文奖”获奖名单

奖项 作者 论文名 指导教师 推荐学校金 凌四营 超精密磨齿中的机床精化及磨齿工艺研究 王立鼎 大连理工大学银 朱 栋 整体叶盘型面电解加工装备的研制及关键技术研究 朱 荻 南京航空航天大学银 谢宏麟 准共光程干涉术之新式大尺度定位平台之研究 陈志臣李朱育台湾中央大学铜 纪仁杰 绝缘及弱导电工程陶瓷电火花铣磨复合加工技术及机理研究 刘永红 中国石油大学铜 刘英想 纵弯模态超声电动机理论与实验研究 陈维山 哈尔滨工业大学铜 陈光胜 误差综合补偿技术及其在大型数控磨齿机应用 梅雪松 西安交通大学铜 袁 静 机械故障诊断的内积变换原理与多小波特征提取方法研究 何正嘉訾艳阳西安交通大学优秀 鲁金忠 激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究 张永康 江苏大学优秀 朱祥龙 300 mm 硅片超精密磨床设计与开发 康仁科 大连理工大学优秀 林怡君 全新式精密图案涂布技术之开发与研究－「太极涂布法」王安邦 台湾大学优秀 李 宁 超小间隙下磁头－磁盘界面稳定性的实验与理论研究 孟永钢 清华大学优秀 李国铭 微分进化算法于工程优化之应用周至宏刘东官蔡进聪高雄第一科技大学优秀 李进军 基于多模式单演特征检测与匹配的三维视觉测量技术研究 赵 宏 西安交通大学优秀 林家鸿 麦克风阵列:噪音源识别及声场可视化 白明宪郑泗东台湾交通大学优秀 蒲华燕 超精密隔振系统建模与控制 陈学东罗 欣华中科技大学佳作 刘鹏涛 氢对TC4钛合金焊接接头组织与性能影响的研究 任瑞铭 大连交通大学佳作 高 珊 5A06铝合金MIG 焊接接头深冷强化机理研究 吴志生 太原科技大学佳作 张 莹 叶片类零件自适应数控加工关键技术研究 张定华 西北工业大学佳作 郭 垒 MCH63加工中心结构件及结合部的建模和分析方法研究 汪劲松叶佩青清华大学佳作 张俊杰 基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究 孙 涛闫永达哈尔滨工业大学佳作 马玉婷 压电管式复合驱动器及其应用研究 冯志华 中国科学技术大学佳作 舒 亮 基于各向异性的Galfenol 复合悬臂梁非线性建模方法及控制研究 陈定方 武汉理工大学佳作 崇学文 碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具研究 黄传真 山东大学佳作 赵宏哲 基于约束特性的柔性精密运动模块参数化设计 毕树生 北京航空航天大学佳作 朱顺鹏 高温复杂结构的混合概率故障物理建模与疲劳寿命预测 黄洪钟 电子科技大学佳作 宋朝省 小倾角船用齿轮箱交错轴传动特性研究 朱才朝 重庆大学佳作 文 力 仿生机器鱼推进机理实验与控制研究 王田苗 北京航空航天大学佳作 江浩宁 加工系统误差分析及其在加工策略上之应用 王俊志 台湾成功大学佳作 尹 玲 机床热误差鲁棒补偿技术研究 陈吉红李 斌华中科技大学佳作 樊文刚 复杂曲面宽行数控加工理论及其应用研究 李建勇 北京交通大学

第2届上银优秀机械博士论文奖——金奖

超精密磨齿中的机床精化及磨齿工艺研究

作者:凌四营;毕业院校:大连理工大学;指导教师:王立鼎

概要:

基准级标准齿轮是齿轮量值传递的实体基准，它的制造精度标志着一个国家超精密齿轮的技术实力，也是一个国家超精密制造技术水平的重要标志之一。国外超精密齿轮的工业小批量生产水平可到2级(ISO 1328－1:1995，下同)精度，而国产磨齿机的最高磨齿精度及商品标准齿轮的最高制造精度仅为3级，国内外齿轮工业整体制造精度相差1～2级。本文针对基准级标准齿轮制造所涉及的加工原理、创新机构及超精密磨齿工艺展开研究工作。

依据对渐开线齿轮最佳成型原理的研究，并考虑机床关键元部件易精化及结构刚度高的特点，选择了Y7125型大平面砂轮磨齿机为工具机。针对机床砂轮系统，研究了砂轮轴热伸长规律、砂轮工作面锥形误差对磨齿的影响、砂轮外缘宽度的优化、平面砂轮的磨齿特点与磨损规律及砂轮修整器的精化;针对机床的展成系统，分析了其中的精密组件——渐开线凸轮综合偏心对被磨齿轮齿廓偏差的影响，并在自行设计的渐开线样板磨削装置与测量装置上对其进行了精化磨削与测试实验，精化后的渐开线凸轮面形误差小于1 μm，满足1级齿廓精度基准标准齿轮的加工要求;提出了两种提高机床分度系统精度的改进措施:可调式分度盘的“正弦消减法”及端齿自动分度系统的创新设计;为减少端齿盘组合分度精度的损失，本文将全组合测量法应用于端齿盘基准面的测量中，测量并修复了端齿盘的轴向安装基准。

文中还对机床的动态精度进行了初步探讨，证实了大平面砂轮的变速磨齿过程有利于磨削颤振的抑制，并对机床的关键部位进行了振动测试实验，采取相应的措施减小了机床振动对磨齿的影响。此外，本文对超精密齿轮磨齿工艺进行了研究。根据多年积累的工艺经验和新的技术要求，总结出若干有效的超精密磨齿工艺原理与方法。

通过本文的理论研究与科学的磨齿实验，完成了超精密齿轮的加工原理、机床精化及磨齿工艺的研究，研制出齿轮国际标准中M2和M4的1级精度基准级标准齿轮以及超过现行最高标准的超精密插齿刀和剃齿刀。这些自主创新技术的研究将对我国齿轮制造技术与水平的全面提升具有指导作用。

第2届上银优秀机械博士论文奖——银奖

整体叶盘型面电解加工装备的研制及关键技术研究

作者:朱栋;毕业学校:南京航空航天大学;指导教师:朱荻

概要:

整体叶盘是航空发动机的核心部件，其质量好坏直接影响发动机的性能。由于整体叶盘结构复杂、材料难加工、技术要求高，其制造已成为新型航空发动机研制的瓶颈之一。论文针对整体叶盘型面电解加工技术展开研究，具有重要的理论和现实意义。论文主要研究工作和取得的创新性成果如下:

(1)提出了新型W型电解液流动方式。开展了整体叶盘型面电解加工中的流场特性分析研究，提出了新型W型电解液流动方式，并研制出相应的工装夹具，通过流体有限元仿真分析和试验研究得到，W型电解液流动方式能有效克服传统侧流式中被动分流、电解液随机分配、加工区流量不均等不足，提高加工过程的稳定性。

(2)设计了复杂曲面薄片电极。在叶盘型面电解加工过程中，薄片电极由于受到电解液压力而发生变形，影响加工精度和加工稳定性，论文采用有限元方法分析薄片阴极变形情况，优化阴极结构，提高阴极强度和刚性，减小阴极变形。针对具体的叶盘模型，研制了薄片工具阴极，并开展了工艺试验，结果表明，结构优化后的阴极变形明显减小，加工试件精度提高。

(3)提出了薄片阴极空间轨迹控制算法。针对阴极进入狭窄叶栅通道困难问题，提出了薄片阴极空间运动轨迹算法，动态分析阴极进入叶栅通道的空间轨迹，使结构优化后的阴极能够无干涉地进入通道。在此基础上，研制了七轴分组四联动叶盘型面电解加工试验平台及控制系统，实现了薄片阴极和叶盘工件的协同控制。

(4)针对航空发动机整体叶盘，开展了型面电解加工试验和应用研究，优化了工艺参数，并成功研制出镍基高温合金整体叶盘试验样件。

论文实现了整体叶盘型面的电解加工，论文的研究成果对实现新型航空发动机叶盘的制造具有重要的理论意义和实用价值，以论文工作为主要内容之一的研究成果于2011年获得国家技术发明二等奖。

准共光程干涉术之新式大尺度定位平台之研究

作者:谢宏麟;毕业学校:台湾中央大学;指导教师:陈志臣、李朱育、Gilles Lerondel

概要:

有鉴于发展大行程位移装置的重要性，本研究提出一套可有效排除环境扰动误差的新型干涉仪式定位平台，用以进行二维度大行程精密定位。该系统包含一“准共光程量测系统”及一“双层复合式驱动平台”。

大行程位移量测技术一般都采用光学干涉仪。但光学干涉仪多属于不共光程的设计架构，易受环境扰动影响系统准确度及稳定度。本研究开发一“准共光程量测系统”，其结合了外差及光栅剪切干涉术之优点，且其系统架构简单，由一个外差光源、二维度的全像光栅、特制的半波片及锁相放大器等组件所组成。是世上第一个采“准共光程”设计架构开发的干涉仪，可在不改变光学架构下即能提供一及二维度位移与直线(度)量测信息。由于参考光与量测光所形成的外差剪切干涉路径几乎是一致，故可消除相同的干扰讯号。相较于其他商用量测仪器(电容式位移计、应变规、光学尺、光学干涉仪)，本系统除了具备高分辨率(1.2 nm)、重现度(1 nm)、大行程(50 mm)之外，亦具备高稳定性(＜50 nm/h)。

本研究亦开发了一双“双层复合式驱动平台”，并针对其平板弹簧式压电微致动平台进行优化设计，提出了最适合此定位平台的结构参数，进而有效降低非预期之弹性变形对微位移平台所造成的影响，使定位平台具备精准的二维度(XY)大行程位移(50 mm)能力。

此创新的干涉仪式定位平台，可藉由准共光程外差式光栅干涉仪提供实时位移量测信息，进而驱动位移平台进行二维度大行程精密定位。此外，本准共光程干涉仪具备二维度量测能力，可在不改变光学架构下即提供一及二维度位移误差及直线(度)的量测信息。又因系统具备高稳定性，可于一般场合使用，故可将其应用于工具机的几何误差量测上。将此定位平台结合雷射光干涉微影技术后，即可快速且稳定地制作出大面积的微纳米结构。此外，此平台亦可配合回授控制进行实时误差补偿，可有效提升精密机械产业的产品制作水平及精度。

第2届上银优秀机械博士论文奖——铜奖

绝缘及弱导电工程陶瓷电火花铣磨复合加工技术及机理研究

作者:纪仁杰;毕业学校:中国石油大学(华东);指导教师:刘永红

概要:

工程陶瓷以其优异的性能被日益广泛的应用于现代工业、国防等领域，但由于其硬度高、脆性大、断裂韧性低，对其加工十分困难。电火花加工技术在导电工程陶瓷的加工中获得了较好的应用，但不适用于绝缘及弱导电工程陶瓷的加工，相关加工技术的研究与开发是当今电加工领域的一个热点。本文在绝缘及弱导电工程陶瓷电火花加工技术与应用基础理论方面开展了系统深入的研究工作，取得了较好的创新成果，主要表现为:

(1)提出了一种绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工新方法。建立了绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度单脉冲放电加工的温度场模型，得到了峰值电压、电容容量等工艺参数对单脉冲放电加工工艺效果的影响规律关系，揭示了其材料蚀除的机理。

(2)研究开发出一种具有自主知识产权的绝缘工程陶瓷电火花铣削与机械磨削复合加工技术。该加工技术利用工具电极与沿工件表面伺服送进的辅助电极间放电时产生的瞬时高温、高压作用蚀除绝缘工程陶瓷，由高速旋转的磨块磨削工件表面的放电变质层，具有加工效率高、表面质量好、对环境无污染等优点。研究得到了该加工技术的电参数、工作液和机械磨削参数等对加工工艺效果的影响规律关系。

(3)研制出一种具有自主知识产权的绿色高效的电火花铣削加工水基工作液，得到了各组成成分对其性能和电火花铣削工艺效果的影响规律关系，优选出了其各组成成分的最佳配比。

(4)研究开发出一种具有自主知识产权的端面电火花铣削与机械磨削复合加工技术及其专用复合工具。该加工技术具有加工效率高、表面加工质量好、加工成本低等优点。寻找得到了该加工技术的工艺参数对加工工艺效果的影响规律关系，建立了材料去除率、工具电极损耗率、加工表面粗糙度等工艺性能指标与工艺参数间的数学模型，揭示了其材料去除的机理。

论文相关内容以导师第一、本人第二获授权国家发明专利7项，以第一作者或导师第一、本人第二已发表和录用学术论文30篇，其中SCI、EI论文26篇，SCI已收录19篇，获省部级奖2项。

纵弯模态超声电动机理论与实验研究

作者:刘英想;毕业学校:哈尔滨工业大学;指导教师:陈维山

概要:

本文将利用圆筒径向弯振、圆环轴向弯振、压电金属复合梁纵振和弯振的超声电动机作为一类新型电动机进行研究，基于模态组合方案研究成果，提出了多种具有实用价值的电动机新构型，研制了多种新型电动机，系统地建立起了一套适用于纵弯模态超声电动机设计与分析的理论方法，探索出了一套适用于夹心式超声电动机加工与装配的工艺方法。概括而言，本文取得了如下主要创造性成果:

(1)提出了4种采用压电金属复合梁纵振或弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方案，揭示了对应的致动原理;揭示了压电金属复合梁纵振复合、纵弯复合、弯振复合3种组合方案的致动原理，建立了纵振复合和弯振复合方案中驱动区域质点运动轨迹方程。

(2)提出并研制了3种新型夹心换能器式圆筒型行波超声电动机，建立了适用于换能器纵振/弯振与圆筒径向弯振模态间匹配的设计方法;提出了该类电动机中所存在的振动耦合以及波形畸变问题。其中，纵弯复合换能器式圆筒型行波电动机最大转速281 r/min，最大输出力矩1.2 N·m。

(3)提出并研制了3种新型纵振复合模态压电金属复合梁式超声电动机，揭示了电动机的致动原理。提出了该类电动机中存在的振动耦合与能量闲置问题，并通过封闭构型的设计思想避免了振动能量的闲置，实现了多点致动输出。其中，T型单足直线电动机最高速度1 160 mm/s，矩型四足直线电动机最大推力60 N。

(4)提出并研制了3种新型弯振复合模态压电金属复合梁式超声电动机，采用正交弯振组合的设计思想实现了直线/旋转致动。其中，弯振复合双足直线电动机最高速度1 527 mm/s，最大推力50 N;弯振复合四足旋转型电动机最大力矩14 N·m。

相关研究成果撰写专着一部、发表学术论文35篇(SCI收录14篇，EI收录33篇)、获黑龙江省技术发明二等奖一项、博士论文被评为第十四届哈工大优秀博士论文、取得授权发明专利25项。所研制的弯振复合模态双足电动机已在中科院上海技物所成功应用。

误差综合补偿技术及其在大型数控磨齿机应用研究

作者:陈光胜;毕业学校:西安交通大学;指导教师:梅雪松

概要:

随着船舶、机车、风电核电、军工等行业对大型、精密齿轮的需求快速增长，国内制造业对高速、精密、大型数控磨齿机提出了迫切的市场需求。然而，国产数控磨齿机性能指标较国外先进产品有较大的差距。在国家科技重大专项和国家高技术计划重点项目(863计划)基金的支持下，对提高多轴数控机床精度的关键理论和技术包括:误差建模理论、误差检测方法、伺服系统摩擦理论、伺服系统辨识理论以及误差补偿方法展开研究。通过研究成果的成功应用，显着提高国产大型数控磨齿机的性能。研究内容及结论如下:

(1)根据误差建模理论推导出六轴大型数控磨齿机几何误差模型，为具实用性，提出简化多轴机床误差模型的思路和方法，使大型数控磨齿机的几何误差模型大大简化，所建误差模型适合于商用数控系统的补偿应用。提出对多轴机床旋转轴误差进行全面、快速、准确的检测方法，能分离出旋转轴引入的8项误差(包括6项运动误差和2项轴间误差)，解决机床行业生产中准确、快速检测旋转轴误差难题。

(2)针对摩擦现象，对机床圆运动摩擦误差的产生机理和补偿方法展开研究。建立了X－Y工作台伺服系统在不同条件下的3个控制模型，从瞬态响应的视角揭示圆运动摩擦误差的产生机理，提出精确计算摩擦误差出现时机、持续时间以及由摩擦产生的最大跟随误差的数学方法，并提出一种基于双脉冲补偿方波的有效摩擦误差补偿方法。

(3)提出以指令位移作为激励信号，采集机床内部的传感器信号如:电动机电流、光栅尺位置和编码器位置等，通过闭环辨识，准确辨识出了伺服系统机械部分的等效惯量、等效阻尼、工作台质量、阻尼和机械刚度、摩擦力等动态参数，建立了准确的伺服系统仿真模型。

(4)开发出基于NUM数控系统的误差综合补偿系统，成功应用于首批国产大型数控磨齿机，经过误差综合补偿，精度等级由不足5级稳定提高为4级，大部分指标达到3级，关键指标均达到国外先进产品水平。

该研究对于进一步提高我国制造业装备水平具有重要的理论意义与实用价值。

机械故障诊断的内积变换原理与多小波特征提取方法研究

作者:袁 静;毕业学校:西安交通大学;指导教师:何正嘉 、訾艳阳

概要:

本课题源于国家自然科学基金重点资助项目，旨在针对国民经济中的关键设备运行故障及可能引发的灾难性事故，提供故障预示与运行安全保障的新理论与新技术。基于故障既是状态(设备性能和状况)又是过程(故障萌生和扩展)这一本质属性，深入研究机械故障诊断的内积变换原理与故障动态信号的基函数匹配评价准则、运行状态下早期及微弱故障动态信号的特征增强机制、复合故障耦合特征的一次性分离和提取技术等基础科学问题和工程实用技术。取得的主要创新成果如下:

(1)系统研究了机械故障诊断的内积变换原理这一基础科学问题，揭示多种信号处理方法的物理本质是Hilbert空间的内积变换，旨在探求信号中包含与“基函数”最相似的分量，其关键在于构造和选择与故障特征波形相匹配的基函数。归纳出内积变换原理中基函数匹配评价准则，仿真与实验验证和完善了该原理。

(2)提出了基于两尺度相似变换、频域提升变换和时域提升框架的3种自适应基函数按需构造方法及优选准则，增强强背景噪声下的早期、微弱和复合故障识别能力。设计了两尺度相似变换中的关键转换矩阵，并采用峭度指标最大原则优选基函数，有效诊断出滚动轴承和烟机碰摩故障;构造具备多阶消失矩的自适应基函数库，针对不同典型故障，提出局部故障谱熵最小原则用于自适应基函数优选，应用于连轧机齿轮箱故障和电力机车轴承早期故障诊断;设计了时域提升框架中的矢量预测器和更新器，采用信息熵最小原则规范基函数，确保了电力机车的安全可靠运行。

(3)为有效提取机械微弱故障特征和分离复合故障，从噪声抑制角度，研究了机械故障信号的多小波降噪方法及改进后处理技术。提出了平移不变多小波的相邻系数降噪方法，有效改善了小波降噪中的Gibbs振荡现象，成功应用于电力机车滚动轴承早期故障诊断;提出了多小波滑动窗局部阈值降噪方法，有效克服全局阈值的过扼杀现象，准确提取了大型风电设备电动机轴承故障特征和精轧机齿轮箱复合故障征兆。

研究成果形成了有特色的非平稳故障诊断新技术，满足冶金、交通、能源、石化、制造等国民经济行业的迫切需要，为大型关键设备安全稳定运行提供了技术保障，有效提高机械设备服役性能和预防重大事故发生，具有重要的理论意义和工程应用价值。

第2届上银优秀机械博士论文奖——优秀奖

激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究

作者:鲁金忠;毕业学校:江苏大学;指导教师:张永康

概要:

激光冲击强化具有高压、高能、超快、超高应变率等显着特点，广泛应用在金属构件的表面改性上，然而目前对于金属材料表层激光冲击细化晶粒的微观结构演变、性能结构关系尚缺乏系统的研究，尤其是对超高应变率下严重塑性变形导致的晶粒细化机制和微观强化机理，现在仍然缺乏统一的认识和深入的理解。论文以发动机压缩机叶片材料为研究对象，针对激光冲击铝合金的宏观性能、微观结构演变以及塑性变形进行了若干基础研究，为激光冲击波技术的工业应用提供依据，获得了以下主要结论和创新性成果:

(1)系统研究了激光单次和多次冲击诱导铝合金塑性变形层不同区域的微观组织结构，建立了深度方向残余应力和微观结构的对应关系，首次深入系统地揭示了以位错运动为主的激光冲击铝合金微观结构演变规律和晶粒细化机制。

(2)研究了材料特性参数和激光工艺参数对铝合金表面微凹坑深度的影响，建立了激光冲击超高应变率下以材料粘性系数、应变率、冲击波压力为特征参数的铝合金表面微凹坑深度的解析表达式，为激光冲击表面完整性的理论分析奠定了基础。

(3)提出了叶片和长杆件的椭圆激光冲击工艺，开展了不同搭接率下椭圆型光斑的冲击效果和效率等工艺研究，获得了不同条件下合适的激光冲击参数和工艺准则，并应用到某型发动机整体叶盘和压缩机叶片的表面强化处理上，获得良好的试验效果。

(4)开展了应变速率对激光冲击铝合金试样拉伸性能的影响关系研究，在室温下首次发现激光冲击强化能够促使LY2铝合金产生动态应变时效，提出了基于弥散的溶质原子和激光冲击区域表层产生的大量位错相互作用产生的影响机制，研究了不同工艺参数下的铝合金的疲劳性能。

研究成果在Acta Materialia、MSEA、JAP等SCI知名期刊上发表论文16篇;获得省部级奖4项;已获授权发明专利10件;作为课题负责人后续研究得到国家自然科学基金(面上)、中国博士后第五批特别资助、江苏省自然科学基金等项目的资助。

300 mm硅片超精密磨床设计与开发

作者:朱祥龙;毕业学校:大连理工大学;指导教师:康仁科

概要:

硅片的超精密磨削技术主要用于硅片制备中的硅片平整化和IC后道制程中的背面减薄。随着硅片原始厚度的增大和芯片磨后厚度的减小趋势，硅片超精密磨削技术及设备面临新的挑战:磨床进给系统需要满足大的进给速度调速范围和高的进给稳定性要求;保证减薄后硅片磨削面型精度要求;硅片磨削对加工效率的要求;硅片减薄后，其表面质量和加工变形对磨削力的变化更加敏感，监控磨削力以提高成品率的问题亟待解决。面向大尺寸薄硅片的超精密磨削技术及设备的需求，针对表面质量和磨削效率这对突出矛盾问题，以提高硅片表面质量、面型精度和加工效率为目的，作者深入研究了精密进给、面型控制和磨削力监控等关键技术，设计开发了φ300 mm硅片超精密磨床。

主要研究内容和结论如下:

(1)研究了基于控制力和工件旋转磨削原理的大尺寸基片超精密磨削技术;设计了φ300 mm硅片的双主轴三工位全自动超精密磨床。

(2)建立了硅片超精密磨床的三维虚拟样机，完成了机械结构的优化设计;创建了进给伺服系统的机电协同仿真模型，对硅片磨床进给系统的运动性能进行了实验验证。

(3)研究了主轴夹角对磨削面型的影响规律，建立了硅片磨削面型的数学模型;提出了双主轴三工位硅片磨床主轴倾角的调整方法，并研制出主轴倾角调整装置;通过吸盘修整和硅片磨削试验，验证了数学模型，实现了硅片面型精度的精确控制。

(4)分析了磨削硅片过程中三向磨削力，研制出基于石英晶体压电效应的三向磨削力在线测量系统，实现了与硅片超精密磨床的集成，并对该系统进行了标定。以兼顾加工效率和表面质量为目标，提出了分阶段控制力磨削的工艺策略，并进行了控制力磨削硅片试验验证。

(5)与企业合作研制出国内首台φ300 mm硅片全自动超精密磨床，磨削后硅片的TTV值≤4 μm，#4800金刚石砂轮磨削后硅片的表面粗糙度值Ra≤1.4 nm，亚表面损伤层深度≤0.25 μm，实现了φ300 mm硅片的高效低损伤超精密磨削。

全新式精密图案涂布技术之开发与研究——太极涂布法

作者:林怡君;毕业学校:台湾大学;指导教师:王安邦教授

概要:

精密图案产生技术之应用范围越来越广泛，除了过去广为应用在书籍印刷等知识传播领域外，近年来配合现代科技的发展，也被大量运用于半导体、平面显示器及生物医学产业。而因应全球绿色环保节能之大趋势，各式图案涂布技术正如雨后春笋般地被开发并应用，此类技术利用流体控制及机械动作，直接将图案定义于涂布基材上，免去传统批式制程中高耗时、耗能、高废料、且高污染的微影蚀刻制程，并以卷对卷方式可快速且连续生产。

图案涂布技术中，可依图案涂布母模需求与否分为需母模与无需母模技术。后者相较于前者有较高之图案可变动性，且无重制母模所衍生额外工与料之成本。无需母模之图案涂布技术透过机械动作或是流体控制直接于涂布基板上产生各式各样图案，高效率地产生微型图案。其中包括喷印、笔写式、机械阻断式、以及本论文所开发的气泡截断式等涂布技术。其中喷印技术有最大的图案可变动性，但受限于工作流体的黏度与涂膜的均匀度;而笔写式技术，其图案可变动性高，但速度与精度会相互限制;机械阻断式涂布具传统面涂布技术的优点，然此技术因机台惯性而无法提升流体阻断频率，且受限于复杂机电系统精度及机台操作与维护等问题;针对于此，本论文在涂布头中加入气－液双相流体产生器，产生非连续流体源，利用流体惯性小之本质优势，以大幅改善机械流体阻断技术低频率与精度的缺点。

本研究在于开发一全新概念的精密卷对卷图案涂布(简称太极涂布法)的设计技术及其雏形设备。此技术利用提供不连续的双相流体产生源，配合基板的连续移动来产生断续图案，为结合传统的“狭缝式涂布技术”与微机电新领域的“微双相流产生技术”的创新涂布技术。其承袭了狭缝式涂布技术的高黏度容忍性与大涂布速度调变范围等的优点;同时含有微流体控制技术的高分辨率及高反应性的特质。

超小间隙下磁头－磁盘界面稳定性的实验与理论研究

作者:李 宁;毕业学校:清华大学;指导教师:孟永钢

概要:

作为数据存储设备的硬盘，不断提高磁盘的面存储密度是其发展的永恒动力，也是信息社会发展的迫切需求。为此，磁头－磁盘间隙也必须不断减小来满足读/写信号信噪声比的要求。目前应用的热驱动飞高主动控制(TFC)磁头已经把最小间隙减小到约3 nm，不久的将来可能要进入到亚纳米尺度，这对间隙的精确控制和磁头飞行的稳定性都提出了巨大挑战。因此，本文针对超小间隙(＜3 nm)下磁头－磁盘界面的稳定性问题开展了实验和理论研究。

首先，使用多种测量方法在不同驱动功率下对TFC磁头与磁盘的接触位置和接触状态进行了表征，明确了声发射传感器所探测到的磁头－磁盘初始接触位置(即间隙零点)是在磁盘润滑剂的表面，为绝对间隙的精确控制奠定了基础。

然后，使用多种手段对TFC磁头在纳米/亚纳米间隙下飞行的稳定性和持久性进行了测试和评价。证实了TFC磁头在1 nm及其以上间隙下稳定、持久飞行的可能性。并发现磁头在0.5 nm间隙下长时间飞行时会出现失稳的状况，而磁盘润滑剂向磁头转移量的增加可能是失稳发生的主要诱因。

继而，通过实验研究了润滑剂在超小间隙下的转移行为及其影响因素。验证了小于某一临界间隙时润滑剂转移量会突然大幅度增加的现象，并发现临界间隙的大小以及在临界间隙以下时的润滑剂转移速率与润滑膜厚度、键合比以及润滑剂分子的结构有关。

随之，建立了“蒸发－毛细凝结”转移模型对“临界间隙”现象发生的机理进行了分析，发现在临界间隙下磁头表面力作用的加剧所引起的润滑剂气－液体系的失稳，以及由此引发的毛细凝结和微液桥的形成可能是导致润滑剂加速转移的主要原因。基于所建立的分析模型，定量计算了临界间隙的大小以及在临界间隙以下时的润滑剂转移速率，得到了与实验数据相一致的结果，证明了模型的有效性。

最后，根据“蒸发－毛细凝结”模型计算了小于临界间隙时所形成的润滑剂液桥的毛细力大小，模拟了磁头飞行姿态对毛细力作用的动态响应，发现液桥对磁头飞行稳定性的影响主要取决于间隙的大小和磁头热凸起的曲率半径。

微分进化算法于工程优化之研究

作者:李国铭;毕业学校:高雄第一科技大学;指导教授:周至宏、刘东官、蔡进聪

概要:

对于许多实际工程优化的问题，如果同时考虑作业环境的噪音和制造的变异，要获得精确的设计变数通常并不容易。

为了克服这一困难，本论文利用田口外直交表(Taguchi Outer Array)来考虑具有设计允差(噪声)的设计变量，提出两个改进差分进化的方法解决混合离散连续与非线性，以及考虑设计变量允差的表面磨削优化的工程问题。

本论文提出的第一种方法称为田口滑动模式微分进化方法(TSBDEA)，其中所谓的田口滑动水平方法(TSLM)系提供一个系统化的交叉(Crossover)运算，以取代传统微分进化算法的交叉操作。以TSLM为基础的交叉操作具有系统化的推理能力，利用滑动水平因子的影响，产生优秀的子代，再繁殖具有潜力的后代，有效提供多样化的子代，避免陷入局部最佳解。

第二种方法命名为田口微分进化外数组方法(TDEOA)，延续TSBDEA的方法，仿效外直交表存放噪声的方式，将设计变量的允差(容许变异)放置在外部数组内，如此藉由TSLM滑动水平的多样性交叉运算、改良型微分进化快速稳健的收敛效能以及田口方法具有局部优化解的稳健质量特性，得以求出适应环境噪声、容许设计允差的强健设计变量值。

同时，本论文导入一估测设计变量可靠度的方式，在一般加工状态或是不可预期干扰的环境下，或是在容许设计允差设定下，TDEOA的方法都被验证其保有稳健的可靠性。本论文中应用不同的工程优化问题，结果显示本论文改良型的微分演算方法同时具有全局优化的演算能力，以及强健的可靠度。

基于多模式单演特征检测与匹配的三维视觉测量技术研究

作者:李进军;毕业学校:西安交通大学;指导教师:赵 宏

概要:

论文以三维空间坐标视觉定位、复杂型面轮廓视觉测量和非刚体运动视觉跟踪为研究对象，对基于多模式单演特征检测、匹配及融合的三维视觉测量方法进行了深入的理论分析和实验研究，提出了联合图模式和捆绑调整的高精度立体标定算法、二维单演信号与局部特征检测方法、多模式局部特征描述与立体匹配算法、联合特征面片的复杂型面轮廓测量方法、动态特征面元跟踪与非刚体运动估计算法，选题具有重要的理论意义和工程应用价值。论文研究的主要问题及创新点为:

(1)采用最真实反映摄像机射影变换关系的一般摄像机模型，提出了联合人工图模式标定和由运动到结构捆绑调整标定的三维视觉测量系统标定方法，有效地克服了传统立体标定方法精度低、可靠性差和灵活性差等缺点。

(2)模拟人眼视觉信息分析和处理功能，展开了图像信号单演分析理论与方法研究，建立了多模式单演特征描述向量、特征相似性测量函数及立体匹配价值函数，实现了鲁棒而精确的图像特征点匹配、双目立体视觉的密集数据估计及立体图像序列的时空视差估计。

(3)将目标或场景视为由一个覆盖该目标或场景表面的可视稠密面片集组成的实体形貌，通过特征点检测、特征匹配、面片生成、膨胀、滤波、网格建模、表面特征融合等过程，由稀疏到稠密地重建高精度、高保真的三维复杂型面模型。

(4)将非刚体运动目标或动态场景的瞬时形貌重建和形变测量视为三维跟踪问题，通过局部刚体运动优化和全局非刚体变形优化两个阶段来跟踪目标的三维特征顶点，估计目标瞬时运动参数，实现了动态目标的瞬时时空形貌和运动的鲁棒重建。

论文研究成果先后在国内外知名学术期刊上发表SCI/EI检索论文8篇，申请国家发明专利3项。论文研究的单演信号分析理论与方法是目前图像信号分析与处理、特征检测与识别的最新理论研究成果，已在图像降噪、滤波、配准、模式识别中得到了实际应用;立体视觉系统高精度标定算法、复杂型面轮廓重建算法和非刚体运动跟踪算法，是机器视觉技术研究的重难点问题，研究成果可应用于机械制造中的空间坐标定位、模型重构和形变测量，并可推广应用于目标识别与跟踪、视觉导航和机器检测等领域。

麦克风数组:噪声源识别及声场可视化

作者:林家鸿;毕业学校:台湾交通大学;指导教师:白明宪、郑泗东

概要:

本论文提出远场及近场麦克风数组来识别噪声源的位置及声场可视化。在远场麦克风数组中，稀疏且随机配置的麦克风数组已知可以用来传递远场的影像而不会产生鬼叶瓣的问题。在优化麦克风的配置中，全局优化技术包括蒙地卡罗法、模拟退火法和内部方格蒙地卡罗法被用来有效率地寻找最佳的麦克风配置。仿真结果显示出要避免鬼叶瓣的出现，随机配置麦克风是必要的。而结合模拟退火法和蒙地卡罗法的方法可以有效率的找到一个令人满意的配置，这个配置能得到杰出的波束图和相对较均匀的麦克风分布。在到达方向的估测中，平面波的声源被视为球面波。远场声学影像的方法包括延迟和相加法、时间反转法、单进多出等效声源反逆滤波法、最小变异无失真响应法和多重信号分类法被用来估测声源位置。结果显示多重信号分类法在定位噪声源位置上可得到最佳的结果。在近场麦克风数组中，提出近场等效音源影像(Nearfield Equivalence Source Imaging，NESI)来识别噪声源的位置及强度。NESI是在时间面上设计，它除了可以应用在稳态噪声源上亦可应用在非稳定噪声源上。利用最小均方优化来设计出多通道反逆滤器。调整化被利用来仰制不足解模型相称的不好条件值。设计的参数如:麦克风数组的孔径、麦克风的间距、焦点的间距及量测距离都会明显地影响到声场影像分辨率的结果。重建距离的选定是依据传递矩阵的条件值大小来决定。并且利用窗口矩阵的设计来成功地解决在边界上失焦的问题。此外，本论文使用撤退焦点表面法来避免在重建声场表面上的奇异问题，并使用黄金比例法来求得最佳的撤退距离。近场等效声源成像法利用多通道反算滤波器可重建数个声学变量，包含声压、粒子速度、主动声强及声功率。而当可供使用的麦克风数量不足时，可运用虚拟麦克风技巧里的内插及外插方法分别增加分辨率及减低边缘效应。使用高效率之状态空间最小化获得技术来实现多通道反逆滤器。经由优化计算，最佳的近场麦克风配置为等间距之麦克风置配。根据模拟及实际声源测试结果，本论文所提出的NESI技术可以有效地去识别出噪声源的位置及强度。

超精密隔振系统建模与控制

作者:蒲华燕;毕业学校:华中科技大学;指导教师:陈学东、罗 欣

概要:

超精密隔振系统是精密制造、测量装备纳米级精度生成的必要保障。它通过隔离地基振动、抑制装备内部激励，来解决影响超纳米级精度生成的微振动问题。超精密隔振系统的隔振对象具有振动灵敏度高、结构复杂、负载大、内部激励复杂的特点;而超精密隔振系统所要处理的微振动又具有宽频带、微幅值、来源复杂的特点，这些都给超精密隔振系统的结构设计和控制设计提出了巨大的挑战。本论文从超精密隔振系统的关键单元技术特性分析、主动控制方法设计到原理样机实现3个方面展开研究，旨在通过优化单元部件特性和主动控制来提高超精密隔振系统的性能，使其满足超精密制造装备日益苛刻的性能需求。

采用理论推导－仿真分析－实验测试相结合的方法，分别建立了超精密隔振系统组件级－单元级－系统级3个结构层次的动力学模型。阐明了对超精密隔振系统性能具有较大影响的核心组件空气弹簧、摆机构的隔振机理。揭示了阻尼孔等效面积对双腔室空气弹簧的复刚度在频域内分布的影响规律，提出了一种通过主动调节阻尼孔等效面积从而在线优化双腔室空气弹簧振动传递的方法，并通过搭建相关组件级实验系统进行了验证。

针对超精密隔振系统隔振－定位复合功能的需求，设计了包含位置控制器和振动控制器的多环路主动控制器总体结构。通过对超精密隔振系统的自身特性和振动来源的特性分析，阐明了制约超精密隔振系统隔振性能提高的两大固有矛盾:低/高频振动衰减率的矛盾;地基振动/直接干扰振动衰减的矛盾。提出了应用于超精密隔振系统中的带自适应前馈补偿的滑模控制器，该控制器降低了被控对象参数摄动和直接扰动的对隔振系统最终性能的影响，同时解决了滑模控制器为了克服直接干扰而产生剧烈抖振的问题。仿真结果表明该控制器能够克服超精密隔振系统的两个固有矛盾，提升了超精密隔振系统的最终性能。

完成了超精密隔振系统原理样机的控制系统软硬件设计，并对原理样机进行了全面的性能测试，结果表明施加主动控制后，原理样机能够有效地隔离和衰减地基振动和直接扰动引起的微振动。

第2届上银优秀机械博士论文奖——佳作奖

氢对TC4钛合金焊接接头组织与性能影响的研究

作者:刘鹏涛;毕业学校:大连交通大学;指导教师:任瑞铭

概要:

钛合金由于其优异的性能在航空航天领域得到了广泛应用，但钛合金极易吸收氢，对其性能影响非常明显，特别是对焊接接头。本论文主要包含两方面问题的研究，一是研究较低氢含量时氢对钛合金电子束焊接头疲劳性能的影响;二是利用临时性合金元素氢对改善钛合金塑性加工性能的有益作用，研究热氢处理对钛合金线性摩擦焊焊接性能的影响。

采用置氢C(T)试样对TC4合金电子束焊接头的室温疲劳裂纹扩展速率进行了测试，首次得到的da/dN－Δ K曲线说明，置氢母材试样在低速扩展区和失稳快速扩展区的da/dN相对于未置氢试样有明显的提高，但不同氢含量之间差别不大。在稳态扩展区，氢对试样da/dN的影响很小。置氢焊缝试样的da/dN在裂纹扩展的全过程均明显高于未置氢试样，并且随着氢含量的增加，裂纹扩展速率提高。统计分析结果表明，氢显着降低了TC4合金电子束焊接头试样的疲劳寿命，氢含量0.028 wt%钛合金试样的疲劳寿命仅为未置氢试样的1/2，当氢含量增大到0.120 wt%时，疲劳寿命降到了未充氢的1/5。疲劳断裂主要发生于热影响区，其原因主要是热影响区的组织粗大和不均匀导致接头的疲劳寿命显着降低。

首次结合热氢处理技术进行了改善TC4合金线性摩擦焊连接性能研究，确定了最佳氢含量为0.4 wt%左右，创新性地提出了最小有效功率密度的概念，并得出置氢TC4合金获得成功焊接接头需要输入的最小有效功率密度为5.5×106W/m2，比未置氢时降低了30%。采用“温度－组织－应力”三场耦合的算法对TC4合金线性摩擦焊过程进行了数值模拟，对比分析了置氢对接头温度场、应力场以及焊缝区相变过程的影响，并进行了部分试验验证，结果表明模拟结果与试验结果吻合较好，为研制高效率、低成本的焊机以及优化线性摩擦焊技术奠定了基础。

5A06铝合金MIG焊接接头深冷强化机理研究

作者:高 珊;毕业学校:太原科技大学;指导教师:吴志生

概要:

铝合金焊接存在焊接接头的软化问题，限制了铝合金焊接结构件的广泛使用。本文提出了改善铝合金MIG焊接接头组织和力学性能的深冷处理方法，通过试验的方法研究了深冷处理参数对5A06铝合金MIG焊接接头组织和性能的影响，并从微观层次探讨了深冷处理提高5A06铝合金MIG焊接接头的性能的机理，探索改善铝合金焊接接头软化的新途径。主要研究结果如下:

深冷处理可以改善5A06铝合金MIG焊接接头组织的力学性能，研究发现，－190℃、保温10 h时的深冷处理提高焊接接头强度6.64%;延伸率提高1.95倍。深冷处理参数为－155℃，保温4h时5A06铝合金MIG焊接接头的强化效果最好。5A06铝合金MIG焊接接头抗拉强度、延伸率随着保温时间的延长和深冷处理温度的降低而增大。

深冷处理使得5A06铝合金MIG焊接接头组织中形成亚晶结构，第二相(Mg2Al3)颗粒弥散析出，提高了基体的连续性，且第二相颗粒数量明显增加，使得5A06铝合金焊接接头的基体组织细化，从而强化基体组织。深冷处理后焊接接头组织中的某些晶粒的晶面取向发生了变化，产生了晶粒转动。

深冷处理可以促使5A06铝合金MIG焊接接头合金组织中的位错转化为位错环、使接头合金组织产生孪晶，分别通过奥万罗位错机制及极轴机制解释了位错环和孪晶的形成机制。正电子湮没实验研究发现深冷处理后，焊接接头组织中空位浓度呈降低趋势。

基于奥万罗位错强化机制对5A06铝合金焊接接头合金的强化机理进行分析认为，第一，5A06铝合金MIG焊接接头合金深冷处理强化的主要原因是接头组织中显微孔洞数量的减少、第二相颗粒的细化、弥散析出、晶粒转动、位错环及孪晶的产生。第二，连续分布的α相及细小弥散分布的第二相β(Mg2Al3)使其对5A06铝合金焊接接头塑韧性的不利影响大为减弱，焊接接头的强韧性大幅提高。采用了BP神经元网络对深冷处理的5A06铝合金MIG焊接接头的抗拉强度进行了模拟和预测，预测结果与深冷处理实际测试的结果比较一致。

叶片类零件自适应数控加工关键技术研究

作者:张 莹;毕业学校:西北工业大学;指导教师:张定华

概要:

叶片类零件是航空发动机的关键零部件，其加工质量直接影响着发动机的性能。随着精密制坯技术的多样化发展，自适应数控加工技术已成为制约我国航空发动机精锻叶片、焊接式整体叶盘以及叶片、叶盘修复加工的关键技术瓶颈。

本文以叶片类零件的复合制造工艺为背景，针对自适应数控加工中的宽行加工、约束处理、装夹定位以及工艺几何建模等关键技术进行了深入研究。论文的主要研究内容和取得的创新性成果如下:

(1)针对叶片曲面加工的轨迹规划问题，提出了一种宽行加工轨迹的自适应规划方法。在二阶泰勒逼近方法基础上，发展了基于广域空间逼近的刀具方位优化方法。根据刀具实际切削轮廓，建立了刀具方位与加工带宽的映射关系，解决了环形刀具与曲面的干涉和几何逼近问题，实现了广域空间中五轴加工刀具方位的自适应优化。

(2)针对复杂多曲面特征五轴加工的刀位计算问题，提出了一种约束统一处理方法。基于带约束刀具－曲面配准模型，实现了任意复杂边界的防干涉处理和刀位优化。在此基础上，提出了多曲面通道分析方法，实现了通道加工中最大刀具直径、刀具长度及可达方向的计算;同时，还建立了基于点－岛屿实体距离监视的螺旋加工轨迹规划方法。

(3)针对叶片类零件的装夹定位问题，提出了加工余量自适应优化的统一数学模型，对无余量、带余量单个叶片以及变形叶片组的定位问题进行了深入研究，并给出了适应于不同条件的定位变换求解方法。提出层次化的叶片包容及混合包容问题求解策略，实现了单个叶片的精确定位和余量自适应优化。提出变形叶片组逐层细分的余量分布优化方法，降低了焊接工艺引起的叶片位置偏差和余量分布不均对叶盘加工质量的影响。

(4)针对前期工艺或工作服役引起的叶片变形问题，提出了面向非完整测量数据的工艺几何建模方法。以焊接叶盘过渡区域为例，利用旋转角度插值建立映射关系，实现了基于设计模型的曲面变形映射建模。以叶尖修复区域为例，通过截面测量点集的小波分解与重构，建立了基于测量模型的截面曲线变形建模方法。

(5)设计开发了叶片类零件自适应数控加工软件系统，并以某型航空发动机焊接叶盘为对象进行了工程应用验证。结果表明，整体叶盘单个叶片的位置度准确，过渡衔接良好，加工精度达到了焊接叶盘的设计要求。

MCH63加工中心结构件及结合部的建模和分析方法研究

作者:郭 垒;毕业学校:清华大学;指导教师:汪劲松、叶佩青

概要:

加工中心是重要的工业基础装备，其性能很大程度上受到组成它的结构件和结合部特性的影响。对结构件和结合部进行建模、分析，是进一步提高加工中心性能的重要途径。本文研究了一种高速精密卧式加工中心MCH63的结构件和结合部，建立了元结构分析方法的理论模型，提出了基于元结构的灵敏度分析(Sensitivity A-nalysis Based on Unit Structure，SAUS)方法，建立了正交异性模型，提出了属性更换的模态分析(Modal Analysis Based on Property Replacement，MAPR)方法，从而实现了结构件、结合部的建模、分析和参数辨识。主要研究内容如下:

针对采用“井”字型筋板的机床结构件，基于元结构思想建立了元结构分析方法的理论模型，导出了元结构与整体结构固有频率的解析关系。元结构分析方法能够把整体结构的分析简化为元结构的分析，从而大幅度提高分析效率。仿真和实验结果表明，元结构分析方法所预测的结构固有频率与实际值的误差在10%以内，从而验证了元结构分析方法理论模型的正确性。

提出了SAUS方法，用于指导结构件固有频率的设计。SAUS方法能够综合元结构分析方法和灵敏度分析方法的优势，简化研究对象、确定设计参数和指导参数调整。基于SAUS方法对“箱中箱”结构做设计，验证了该方法的有效性。

针对MCH63床身和立柱之间采用的接触面积大、受力情况复杂的定位胶结合部，建立了一种新的正交异性结合部模型。推导正交异性模型中工程弹性参数与系统性能的关系，得到了模型参数辨识的方法。

提出了MAPR方法，用于计算考虑结构件柔性的组合结构中结合部的刚度。MAPR方法更换结构件和结合部属性做模态分析，得到结构件的刚度、质量(惯量)值;在此基础上利用模态实验的结果，计算出结合部的刚度。MAPR方法解决了机床模态实验中，由于结构件和结合部刚度基本为同一量级，导致结合部刚度难以辨识的问题。使用MAPR方法对定位胶和导轨滑块结合部刚度进行辨识，得到的仿真模型固有频率与实验结果的误差在10%以内。

本文提出的建模和分析方法，为高速精密卧式加工中心的设计提供了理论基础和方法支持。

基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究

作者:张俊杰;毕业学校:哈尔滨工业大学;指导教师:孙涛、闫永达

概要:

纳米机械加工技术如金刚石微探针纳米刻划是一种重要的纳米加工技术。然而，缺乏对纳米机械加工机理特别是表层形成机理的理解制约着纳米机械加工质量的提高。除了实验研究外，国内外学者普遍采用分子动力学模拟来研究纳米机械加工机理，并得到了许多有价值的研究结果。然而，在前人的研究中大部分工件材料为单晶形式，而对多晶材料纳米机械加工的分子动力学模拟研究较少。纳米机械加工是一个刀具与材料高度耦合的过程，多晶材料不同于单晶材料的变形机理直接影响纳米机械加工的结果。此外，前人对纳米机械加工中引入的亚表面损伤层的实验和仿真研究主要是检测亚表面损伤层的深度及分布，而对多晶材料的亚表面损伤层的形成机理研究较少。在纳米机械加工中工件材料内部的结构和组织状态的变化是形成亚表面损伤层的一个重要原因。因此，针对上述存在的问题，本文基于摩擦磨损、晶体塑性和纳米力学等理论，使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜和纳米晶体铜纳米机械加工表层形成机理，具体研究内容包括如下几个方面:

建立了包含多种结构材料(单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜)的纳米机械加工的分子动力学模型，为系统地开展纳米机械加工的分子动力学模拟研究奠定了基础;

使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜纳米机械加工机理，包括工件材料变形、加工力变化、表层形成等，为研究材料纳米机械加工机理提供了新的内涵;

基于晶体铜纳米机械加工亚表面损伤层的形成机理的研究，提出了一种基于纳米压痕的亚表面损伤层深度的定量预测方法，为研究亚表面损伤层提供了技术支撑;

在发现纳米机械加工亚表面损伤层产生孪晶现象的基础上，提出了一种利用孪晶变形来控制和改善亚表面损伤层的新设想，为控制和改善亚表面损伤层提供了新途径;

为了使纳米机械加工的分子动力学模拟的结果可信、有用，分别从分子动力学模拟基本原理、材料机械性能的纳米压痕检测、纳米机械加工结果这3个方面逐级开展分子动力学模拟与实验的对比。

压电管式复合驱动器及其应用研究

作者:马玉婷;毕业学校:中国科学技术大学;指导教师:冯志华

概要:

传统的1－3型压电复合材料使用方形或者圆柱形立柱与基体材料复合，本文使用压电陶瓷管与基质复合，制成压电管式复合驱动器以适应于多种场合的应用。压电管式复合物所需的极化和驱动电压低，能够与导体基质复合，压电陶瓷管可以独立控制，电场利用率高，易于完成多模式驱动。本文以压电管式复合驱动器为研究对象，主要工作及结论包括以下内容。

进行压电管式复合物的宏观等效性能参数计算公式的推导。讨论了不同压电陶瓷管体积分数、厚径比、分布密度以及基体材料对复合物压电特性产生的影响。仿真了复合物单元在不同载荷下容易引发材料破坏的应力分布情况。分析了复合物的振动模态及其共振频率随结构尺寸参数的变化趋势。

对各管独立驱动的四管复合驱动器进行了研究。并将四管复合驱动器和传统的单管四分电极驱动器在各项性能参数上做了对比，证实当四管复合驱动器和单管四分电极驱动器拥有相同尺寸，在相同电场强度驱动下，四管复合驱动器的整体性能通常优于单管四分电极驱动器。它可以代替传统的单管四分电极驱动器，在扫描探针显微镜、压电马达和压电陀螺等领域有着广泛的应用价值。

使用压电八管复合驱动器研制了弯曲摇头式压电马达，分析了八管复合驱动器的静态和动态特性。设计制作了马达样机。样机测试结果与理论值基本吻合。其输出力矩性能优于基于单管驱动器的摇头式压电马达。

设计了基于压电四管复合驱动器的新型离心式压电陶瓷泵。该泵无机械部件所以具有较高的效率;无精密阀门或者细微管道所以对液体纯净度要求不高;可扩展性强，由于压电管式复合物单个压电组件的控制独立性，可以采用不同的驱动方式衍生出多种结构。研究了泵的静态端部弯曲挠度、输出力矩、共振模态以及液体流速对共振频率的影响。

研究所取得的成果对压电管式复合物的优化设计、驱动器性能的系统分析及压电驱动技术的应用探索等方面具有一定的理论价值和实用意义。

基于各向异性的Galfenol复合悬臂梁非线性建模方法及控制研究

作者:舒 亮;毕业学校:武汉理工大学;指导教师:陈定方

概要:

复合悬臂梁是将智能材料与悬臂梁进行复合而成的智能型器件，在振动控制、力传感、光反射定位等领域有重要的应用前景。当复合悬臂梁发生主动弯曲时，智能材料层承受弯矩，而目前用于复合悬臂梁的智能材料，例如Terfenol－D、PZT等，多为脆性材料，在大挠度情况下会导致材料断裂或者失效，从而限制了它们的应用。

Galfenol合金是继Terfenol－D、PZT、Ni2MnGa合金之后，于2001年发展起来的一种新型智能磁致伸缩材料，其成分为铁(Fe)－镓(Ga)合金。该材料的出现填补了传统磁致伸缩材料与超磁致伸缩材料之间的空白，是一种既有良好的机械性能又有较大的磁致伸缩比的新型磁致伸缩材料。其脆性小，抗拉强度高，能承受转矩、冲击等机械载荷，并具有环境适应性强、经济适用等特点。

论文对Galfenol复合悬臂梁及其非线性耦合动力学模型进行研究，模型涉及材料本征非线性与悬臂梁机械模型的耦合，其中，Galfenol材料的各向异性使其磁－机之间的耦合不仅是强度上的耦合，更是各场强在方向上的耦合。目前关于Galfenol本征模型的研究普遍基于磁各向同性的一维建模方法，掩盖了材料磁各向异性的本质。论文提出在考虑各向异性的前提下，基于Galfenol材料与磁场、应力场、动态涡流损耗之间的复杂耦合关系，建立材料的三维本征非线性模型;同时将Galfenol合金本征非线性模型与复合悬臂梁机械模型进行耦合，建立基于各向异性模型的非线性耦合动力学模型。考虑到模型参数具有频率相关性，提出一种频率相关的鲁棒性滑模变结构控制方法，为克服Galfenol合金磁滞非线性，推动Galfenol智能器件的实际应用提供了一种十分有效的手段，使得在利用智能材料各向异性的基础上研制三维智能器件成为可能，对于革新精密仪器，推动精密控制技术发展具有重要意义。

碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具研究

作者:崇学文;毕业学校:山东大学;指导教师:黄传真

概要:

本文采用碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的方法，研制成功了Ti(CxN1－x)系晶须和LTW系列新型陶瓷刀具。提出了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的设计思路，对碳热还原合成晶须、晶须生长机理、增韧补强机理、切削性能等进行了系统研究。

研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的设计方案。提出了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的设计方案。根据Ti(C，N)连续固溶体的特性，改变晶须原料配比的C/Ti比值，可制备出x取值不同的Ti(CxN1－x)系晶须。

研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料粉末的制备。重点研究了碳热还原合成晶须工艺参数、晶须生长助溶剂和催化剂等，研制成功了3种碳热还原合成晶须，为碳氮化钛系晶须增韧陶瓷刀具材料粉末的制备奠定基础。

研究了碳热还原合成碳氮化钛系晶须的生长机理。提出了碳氮化钛晶须的气－固(VS)生长机理，建立了碳氮化钛晶须的气－液－固与气－固微观生长机理模型。

研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具的制备工艺及力学性能。研制成功了LTW310(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.3N0.7)w)，LTW510(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.5N0.5)w)和 LTW710(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.7N0.3)w)3种新型刀具材料，其抗弯强度分别为752.5 MPa，812.9 MPa，753.8 MPa;断裂韧度分别为8.83 MPa·m1/2，7.64 MPa·m1/2，8.12 MPa·m1/2;硬度分别为 21.9 GPa，20.0 GPa，20.2 GPa。

研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的增韧补强机理，建立了Ti(C，N)p和Ti(C，N)w协同增韧模型。

研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具的切削性能。刀具磨损以前刀面月牙洼磨损和后刀面犁沟状磨损为主，破损以前刀面贝壳状剥落和刀刃碎断为主要失效形式。

基于约束特性的柔性精密运动模块参数化设计

作者:赵宏哲;毕业学校:北京航空航天大学;指导教师:毕树生

概要:

通过材料变形而产生位移的柔性机构，由于无间隙、免摩擦及磨损的优良特性，已成为机械领域高精度部件的翘楚，从而对精密工程产生了深远的影响。

而目前柔性机构的设计和分析理论大多借鉴了刚性机构的研究成果，由此沿用刚性的理想化约束假设，是桎梏其广泛应用的根源所在。基于此，本文从约束的角度出发，并借鉴模块化理念，通过对簧片型柔性单元约束特性的分析和评估来设计柔性铰链;利用柔性铰链约束之间的耦合与抑制机理来组合柔性机构。论文主要创新性工作包括以下4点:

(1)研究了簧片型柔性单元的约束特性，以此为基础，提出了一种基于簧片位移约束假设的柔性铰链建模分析与性能评估的方法。进而提出了3种具有特殊应用背景的转动型柔性铰链新构型:(a)等值刚度柔性铰链，可减轻有效载荷时刻变化给控制系统带来的负担;(b)低转动阻抗柔性铰链;(c)高精度转动柔性铰链。

(2)分别揭示了转心置于结构体之外，以及结构非对称2种强约束作用下柔性铰链显着的非线性特性，为二者进行模块组合与实际应用奠定了基础。对前者的非线性刚度特性，重点揭示了位移引起的显着转动刚化效应及载荷刚化效应;对后者，主要研究了轴漂随非对称几何参数的变化规律。

(3)提出了一种具有普适性的复合柔性铰链约束等效模型，以用于模块化的建模与分析。以此为指导，设计了一种高精度的转动型复合柔性铰链，若不考虑装配误差，其轴漂特性要小于业内公认的高性能铰链——蝶形柔性铰链。

(4)提出了一种基于转动轴漂补偿移动寄生运动的直线运动机构设计方法，综合得到了6种高精度的构型。对各种构型，通过分析给出了满足误差补偿的条件，以及几何参数的设计空间。同时，在推广约束等效模型的基础上，建立了这类高精度直线运动机构主运动与寄生运动的模型，可实现性能的准确预测。最终，提出的构型寄生运动比现有的柔性平行四杆机构小2～3个数量级。

论文通过对柔性精密机构约束特性的模块化设计方法及实验测试研究，为柔性机构在精密、超精密定位领域的应用提供有益的理论与技术支持。

高温复杂结构的混合概率故障物理建模与疲劳寿命预测

作者:朱顺鹏;毕业学校:电子科技大学;指导教师:黄洪钟

概要:

随着现代装备向大型化、复杂化和精密化方向发展，诸如航空发动机、重型燃气轮机等重大装备的大量零部件在十分恶劣的环境下工作，其高温复杂结构的寿命和可靠性是制约整机寿命和可靠性水平的主要因素之一。本文针对其寿命预测与可靠性理论中若干亟待解决的重要问题，在复杂载荷、多环境因素以及多种失效模式下的概率寿命预测方面展开研究，利用某型航空发动机涡轮盘和实测转速循环数据进行模型验证。其主要内容和研究成果如下:

(1)提出了复杂载荷作用下考虑小载荷损伤与强化的模糊Miner法则。通过将复杂载荷中小载荷的损伤与强化、载荷之间相互作用和载荷次序效应对疲劳特性的影响定量地纳入传统Miner法则，提出了模糊Miner法则，为工程中“载荷是否产生损伤”判据和“低载强化”现象的解释提供了理论支撑。

(2)建立了多种失效模式下的广义应变能损伤函数模型。通过统一表征复杂结构在多种失效模式下不同载荷类型造成的损伤，基于能量准则提出了广义应变能损伤函数模型，综合考虑了各加载条件对其损伤和寿命的影响，实现了不同加载波形下的疲劳－蠕变寿命预测。

(3)提出了多种失效模式下的广义能量损伤参数法。结合故障物理技术，基于疲劳失效过程中不可逆延性耗散且材料逐渐递减的固有能量吸收能力，提出了广义能量损伤参数和延性耗竭模型，为实现可靠预估复杂构件的剩余寿命提供了有效途径。

(4)构建了混合概率故障物理寿命预测理论框架。应用Bayes推理和故障物理技术，构建了由历史数据到材料试验、加速寿命数据的混合概率寿命预测理论框架，解决了寿命预测中诸多因素引入的不确定性问题，节省了相关试验时间和成本，为其安全评估和寿命周期管理做出最有利的决策和判断提供了理论依据。

(5)提出了基于综合不确定性分析和Bayes信息更新的概率寿命预测方法。通过综合考虑模型、模型参数、材料属性和模型输入变量的不确定性对疲劳寿命和损伤的影响，提出了寿命预测中的综合不确定性分析方法，可用于重大装备复杂构件的安全评定、健康监测和剩余寿命估算等一系列工程实际问题中。

小倾角船用齿轮箱交错轴传动特性研究

作者:宋朝省;毕业学校:重庆大学;指导教师:朱才朝

概要:

针对渐开线变厚齿轮空间传动理论上为点接触、齿面频繁破损、承载能力低、振动大和噪声高这些问题，论文从可实现线接触的交错轴空间变厚齿轮传动啮合理论出发，对渐开线变厚齿轮传动空间线接触啮合理论、轮齿设计制造方法、啮合特性以及系统动态特性等关键科学技术展开研究，取得突破性的创新成果，主要表现为:

(1)将空间啮合理论和变厚齿轮设计加工方法结合起来，推导出交错轴渐开线变厚齿轮传动实现从空间点啮合到线啮合的转变条件，提出了基于节圆锥共轭原理的交错轴变厚齿轮线接触啮合原理和考虑线接触的交错轴渐开线变厚齿轮传动直接、间接设计法，建立了一套线接触交错轴渐开线变厚齿轮空间传动啮合理论和设计方法。

(2)提出了基于安装误差与承载变形的交错轴变厚齿轮传动啮合性能控制及加工参数优化方法。研究了设计和工艺参数对啮合主方向角的影响，得出了轴交角与节锥角对啮合主方向角影响较大，刀具齿线倾斜角对其影响较小的规律;对其啮合特性进行分析，研究外载荷，中心距误差、轴交角误差和齿轮轴向位置误差对啮合印痕、啮合刚度、传动误差、啮合位置以及啮合线方向的影响，得出了外载荷、啮合主方向角、中心距及轴交角误差对啮合特性影响较大，轴向位置误差对啮合特性影响较小的规律。

(3)推导交错轴渐开线变厚齿轮传动等效滑动摩擦系数公式，建立了考虑时变啮合特性和箱体弹性支撑的交错轴变厚齿轮传动系统非线性动力学模型，对系统动态特性进行分析，揭示了其动态机理;研究了啮合主方向角、外载荷及安装误差对系统动态特性的影响，得出了啮合主方向角减小与外载荷、中心距及轴交角误差增加使得动态传动误差、动态啮合力及动态轴承支力明显增加，轴向位置误差对动态特性影响较小的规律，提出了一套交错轴渐开线变厚齿轮传动系统非线性动力学分析方法。

(4)研究成果应用于高速小倾角舰船齿轮箱，所开发的齿轮箱综合技术性能达到国际先进水平，打破国外技术垄断和封锁，填补国内技术空白。

仿生机器鱼推进机理实验与控制研究

作者:文 力;毕业学校:北京航空航天大学;指导教师:王田苗

概要:

仿生机器鱼是机器人学、生物力学的多学科交叉的国际前沿研究热点问题之一，其研究不仅能揭示比较与进化生物学科学问题，而且有利于推动新仿生智能材料与结构航行器样机的研发。本论文研究依托北航智能技术与机器人中心iTR，建立了仿生机器鱼定量测量推进性能的方法与平台，提出了高效的游动控制理论方法，并通过大量实验，获得了水下仿生航行器推进机理的一些重要结论。

论文中首次提出了一种“自主推进”实验方法，结合光机电一体化技术搭建了定量测量机器鱼推进性能的实验平台。该平台工作原理满足“自主推进”物理条件，且能同步获取机器鱼的功耗、整体外力以及流场，进而可定量地计算机器鱼游动效率。文中系统地分析研究了活鱼游动的关键运动参数对机器鱼推进性能的影响，结果所获得最高的机器鱼推进效率达到47.1%。为给机器鱼的游动提供准确的数学模型，我们结合经典的“抗力理论”与“大振幅细长体理论”建立了机器鱼推进模型。考虑到传统机器鱼控制算法中一个重要的缺憾在于没有考虑机器鱼游动过程中的推进效率。通过分析机器鱼运动的“无量纲”参数与其推进性能之间存在的“知识”和“经验”关系，提出并建立了基于“无量纲”参数的模糊控制方法。仿真结果表明，相比传统的游动控制方法，该新方法可使机器鱼达到更高的推进效率与更佳的速度动态性能。为检验机器鱼在开阔水域的推进性能，我们设计了机器鱼平台“SPC”－III。其游动性能与续航能力测试结果表明在同样的推进速度下，比传统螺旋桨推进器功耗低7%，总续航时间达到了13 h，航程49 km，平均速度1.12 m/s，成功完成了太湖部分沿岸的水质监测工作。

加工系统误差分析及其在加工策略上之应用

作者:江浩宁;毕业学校:台湾成功大学;指导教师:王俊志

概要:

本文以误差累积之概念将加工产品尺寸误差分为工具机空间误差与制程误差进行分析与探讨。在工具机空间误差方面，以空间向量法结合误差传递理论推导三轴工具机空间误差之解析方程，并导入统计机率分布理论建立空间卷积变异模式，利用真直度误差、角度误差与垂直度误差之量测变异描述工具机空间误差分布，其中，误差以都普勒雷射干涉位移计搭配空间对角线量测法量测之;而制程误差方面，本文选择以下加工制程为研究对象:

(1)放电加工:主要以考虑相关系数之变异模式观察放电参数、放电坑尺寸与放电间隙的关系，透过误差传递理论描述放电坑过切量及其变异分布。研究结果发现，相关系数为描述参数间耦合程度的重要参数，参数耦合效应考虑与否虽不影响误差平均值的计算，但却是影响误差变异的重要因子。若将考虑耦合效应之变异模式应用于量测放电坑深度，可协助判认工具机之垂直定位误差。

(2)铣削加工:本文以卷积力模式为基础，提出”表面生成窗”描述瞬时铣削力与表面生成位置间之关系，探讨铣削加工中切削力导致之表面轮廓形成机制，推导折曲点高度位置之闭合解及折曲表面轮廓发生之充要条件，并将其简绘成图，提供制造者快速判认各种切深条件与刀具几何下之加工面轮廓，透过此图，亦可在无折曲表面发生前提下迅速选择最大轴向切深与最大体积移除率之切深条件或相对应之刀具。最后，本文将上述理论推广至连续铣削加工，提出不规则曲面铣削之加工面误差解析模式与径向切深分配策略。研究发现折曲表面轮廓可归纳为3种形态且只与6个参数有关，3个刀具几何参数(直径、螺旋角及刃数)及3个切削参数(轴向切深、径向切深与径向比切削系数)。对连续铣削而言，先逆铣后顺铣能有效在两道次加工内减少工件尺寸误差，获得平行度佳且低表面粗糙度的加工面，优点是不需加装额外的控制系统、低成本且容易使用。

本论文在学术理论及加工应用面上皆有所突破，相关研究成果也推广至业界协助生产4C产品与开发智能化工具机，具有重要的价值与意义。

机床热误差鲁棒补偿技术研究

作者:尹 玲;毕业学校:华中科技大学;指导教师:陈吉红、李 斌

概要:

机床热误差补偿是当前高精度加工亟待解决的问题，是当前数控技术和误差补偿方向的一个研究热点和难点。在机床实际运行中，加工工况的复杂多变、测量系统的异常故障和补偿可能带来的机床冲击等不确定因素不可避免地会对系统造成干扰，影响热误差补偿控制系统的运行可靠性和稳定性。

论文围绕“机床热误差鲁棒补偿技术”展开系统深入的研究，重点解决机床热误差的鲁棒补偿方法和热误差补偿在数控系统的嵌入集成两方面难题。论文提出了一种混合参数的热误差建模策略，将特征工况参数引入到热误差模型中。该方法考虑了热误差模型预测对工况变化的鲁棒性，扩大了热误差模型的适用环境。同时，论文首次提出了热误差补偿对在线测量系统异常故障下的鲁棒性保障技术，将假设检验的故障区域判别与D－S证据理论的区域内故障传感器判别相结合对故障进行诊断，并对故障数据进行自修复处理，保证了热误差补偿控制在一定程度的异常故障情况下的无中断运行连续性和加工安全性。进而，论文针对热误差补偿在数控系统的嵌入式集成问题，对嵌入到内核插补层的实时热误差补偿进行了补偿稳定性研究，提出了一种基于稳定性约束的嵌入式热误差补偿方法，将热误差的补偿与数控系统的插补控制进行了深度融合，给出了基于稳定性约束的误差补偿算法，实现对位置相关和位置无关热误差的具有鲁棒性的稳定补偿控制。最后，在深入研究基于现场总线的国产数控系统——华中8型数控系统的基础上，研制了热误差补偿控制的测量与建模单元，并通过现场总线技术实现了与数控系统的集成，同时，采用在数控系统内核插补层的接入技术，实现了实时热误差补偿模块与数控系统的深度融合，并在两种类型的机床上进行了现场实验验证，验证了论文研究方法的有效性和实用性。

复杂曲面宽行数控加工理论及其应用研究

作者:樊文刚;毕业学校:北京交通大学;指导教师:李建勇

概要:

随着航空航天、汽车、新能源、微电子等领域的发展，不断出现的复杂曲面零部件对数控加工技术提出了更高的挑战。目前，宽行数控加工技术已经在加工效率方面体现出了比较明显的优势，但在理论及应用上尚有大量的研究工作亟待努力开展。为此，本文以圆环面刀具为基础，对复杂曲面宽行数控加工编程技术中的刀具定位、刀轨规划等基础理论进行了深入研究与实践。

首先，对现有的多点切触加工理论和几种典型多点刀位算法进行了分析，初步建立了多点切触加工的通用数学模型。提出了基于单个切触点的宽行刀位算法——改进的圆弧相交法，新算法不仅稳定、计算效率高，而且能够产生类似于多点刀位算法特有的“W”型误差分布，因此可以获得很大的加工带宽。在此基础上，进一步提出了基于两个切触点的宽行刀位算法——旋转切触法，通过对刀具后跟角和侧偏角的嵌套优化，最终实现了刀具和工件曲面在最小主曲率方向两侧的两点切触，改善了表面加工质量。

然后，为了使复杂曲面加工产生光顺规整的刀路并充分利用由宽行刀位算法带来的加工带宽的优势，提出了特征参数线刀轨规划算法，其基本原理是使下一条刀路的左特征参数线对应的参数值等于当前刀路的右特征参数线对应的参数值，即使所有规划刀路对应的特征参数加工区域的集合恰好构成一张完整的工件曲面片。算例表明，特征参数线刀轨规划算法不仅可以产生光顺无干涉的刀路，而且相比于等参数线法能够有效减少曲面加工所需的刀路数量，提高实际加工效率。

最后，以汽车顶盖凸曲面为例，对复杂开阔凸曲面的宽行数控加工进行了深入研究。重点对不同走刀方向下的刀位误差分布及刀位算法中一些关键参数对刀位误差分布的影响情况进行了深入分析。结果表明:在多点切触加工凸曲面时，一般只有使刀具沿凸曲面的最大主曲率方向进给，圆环面刀具和工件凸曲面之间才有可能达到两点切触，这和凹曲面得出的结论是完全相反的。计算结果和加工实验则再次验证了本文提出的宽行刀位及刀轨优化算法的正确性。