空间交会对接是航天器长期在轨运行期间不可缺少的操作,是载人航天活动必须掌握的一项基本技术。空间对接机构是实现空间飞行器的在轨机械连接、建立空间飞行器之间的联系、保证空间飞行器安全分离的系统。由于具有寿命长、成本低以及精度高等优点,模块化空间对接机构被应用于各种在轨装配服务与卫星回收捕获等领域,与传统对接机构相比,模块化空间对接机构可在复杂工作环境下进行在轨组装、在轨更换、功能拓展和升级等作业,不仅可为目标航天器提供物资的补给,使航天器的载荷空间突破现有运载发射条件的限制,而且可在降低成本的同时,提高使用效率,延长使用寿命。自模块化空间对接机构被提出以来,已有各种构型的模块化空间对接机构被设计制造出来,实现了预期的功能,但迄今为止模块化空间对接机构并没有在航天领域广泛运用,与传统对接机构相比仍然处于较大劣势。尽管现阶段的模块化空间对接机构的对接精度等工作性能超过了传统对接机构,但在复杂空间环境中,其生存能力与可靠性远远不如传统对接机构。究其原因在模块化空间对接机构的设计阶段,往往只侧重于其中某一项性能的研究,而忽视了其它潜在的设计缺陷,许多设计都是基于理想化模型提出,没有进行大量的设计验证,与实际产品存在较大差异。对模块化空间对接机构设计缺陷的辨识模型与修复方法进行深入系统研究对于提高模块化空间对接机构的设计合理性、使用安全性与运行可靠性具有重要的理论意义和实用价值。本文对模块化空间对接机构的轮廓曲线设计缺陷、几何特征设计缺陷、运动精度设计缺陷、装配关系设计缺陷、传动可靠性设计缺陷的辨识模型与修复方法进行了较为深入系统的研究,本文的主要研究内容与创新如下:（1）基于半空间弹性接触理论,引入了两类完全椭圆积分,构建了具有闭环椭圆接触面特性的改进接触模型。通过分析研究具有闭环椭圆特征的接触区域,得到了对接接触位置的动力学关系,提取出了动接触力对应的瞬时运动学关系,得到了对接头和对接锥面之间的几何关系。以对接头与锥面之间的动接触应力最小化为目标,提出了一种基于遗传算法的对接头包络轮廓曲线设计缺陷的最小接触应力修复方法,修复了对接头轮廓曲线的设计缺陷,得到了对接头的最优轮廓曲线与对接锥面上的最优接触点。（2）考虑对接接触表面粗糙等因素,基于弹塑性分形理论建立了椭球面弹塑性接触模型,引入分形参数定义了球面接触系数ξb,采用球面直径密度分布函数和弹塑性接触力学模型分析了对接头与对接锥面之间的动接触特征。以对接头与对接锥面之间的最小接触应力为目标函数,选择接触点处的几何参数（曲率半径）作为设计变量,建立了梁-弹簧-锥面对接机构的轮廓曲线的修复优化模型,采用遗传算法得到了使对接头与对接锥面之间的接触应力最小时的轮廓几何参数,即最优的对接头尺寸与最佳对接位置,分析了对接接触面三维形貌的弹塑性特征,研究了轮廓曲线、接触载荷和分形参数（分形维数、摩擦系数、材料参数和粗糙度幅值）之间的复杂关系。（3）采用曲面族包络理论对凸轮曲线槽的轮廓曲线进行了拟合,基于拟合的初始轮廓曲线,分析了从动件与凸轮曲线槽之间的共轭接触关系,建立了凸轮曲线槽机构的几何特征（压力角与主曲率）模型,在此基础上提出了两个独立的几何特征设计缺陷（曲率干涉与不合理的压力角）的辨识准则,根据辨识准则得到了几何特征空间与缺陷类型空间的映射关系,通过对凸轮曲线槽机构的有限元仿真分析验证了上述几何特征模型与辨识算法的正确性。采用光顺算法建立了凸轮曲线槽机构几何特征设计缺陷的修复模型,通过对凸轮曲线槽转角处的轮廓节曲线进行光顺处理,修复了凸轮曲线槽机构的曲率干涉等几何特征设计缺陷。（4）基于线接触理论建立了双曲线凸轮传动机构的啮合传动模型,基于Blok闪温理论推导了传动过程中从动件与曲线槽之间的啮合接触温度场模型,以此为基础得到了双曲线凸轮传动机构的摩擦、磨损特征模型。以从动件中的滚子与滚子销为研究对象,通过数值仿真得到了滚子与滚子销在曲线槽中的啮合接触温度场,基于啮合接触温度场研究了初始装配条件下双曲线凸轮机构中的摩擦、磨损特性。以滚子销与曲线槽之间的最小磨损深度为目标函数,选择从动件与曲线槽之间的装配关系参数作为设计变量,采用遗传算法优化得到了能够同时保证传动平稳与机构使用寿命的最优装配关系,修复了滚子、滚子销与曲线槽之间的装配关系设计缺陷。（5）在凸轮曲线槽机构几何特征的基础上,建立了运动学特征方程,基于凸轮曲线槽机构运动学模型,推导出了凸轮曲线槽机构运动精度映射关系与各输出参数的运动误差模型。根据凸轮曲线槽设计指标,提出了凸轮曲线槽机构运动精度设计缺陷的辨识准则,考虑滚子运动、凸轮曲线槽形状和从动件尺寸等特征因素建立了缺陷特征模型,对各影响因素进行了灵敏度分析,得到了对运动精度影响较大的设计参数。基于这些设计参数之间的基本几何约束关系,求出了凸轮曲线槽机构的运动输出误差,采用遗传算法在设计参数解的进化图中进行寻优,实现了弱撞击对接机构运动精度设计缺陷的去特征化修复。（6）基于线接触变形模型,建立了大传动比齿轮齿条的啮合动接触模型,将Blok闪温理论、薄膜润滑模型、热散失与热传导分析方法相结合,构建了传动过程中齿轮与齿条的啮合温度场模型,通过引入应力渗透系数确定了折线的宽度,基于齿面折线宽度建立了一种新的折线截面模型,分析了轮齿危险断面的强度特征。根据齿根动应力数据序列,采用最大熵法和相似度法得到了大传动比齿轮齿条机构的传动保持可靠度模型和可靠度退化概率模型。根据齿轮传动机构的可靠性设计指标,建立了大传动比齿轮齿条机构传动可靠性设计缺陷的辨识准则,以最小可靠度退化概率为目标函数,选择齿轮与齿条的结构参数作为设计变量,建立了大传动比齿轮齿条机构的传动可靠性设计缺陷修复模型,采用遗传算法得到了能够使传动保持可靠度达到最优的齿轮齿条结构参数,对大传动比齿轮齿条机构的传动可靠性设计缺陷进行了无损修复。本文较为深入系统地研究了两类模块化空间对接机构的设计缺陷辨识模型与无损修复方法,研究成果提高了模块化空间对接机构设计合理性、使用安全性与运行可靠性,降低了模块化空间对接机构的设计成本。本文的研究成果提升了模块化空间对接机构的设计自动化技术水平,保障了模块化空间对接机构的设计质量和设计效率,为实现模块化空间对接机构的工程化应用提供了行之有效的理论、方法与技术支撑。