我国航天制造历经研制生产主导、研制与批产并重的发展阶段，正在进入常态化高密度发射主导的规模化定制阶段，迫切需要探索出一种既能满足国家重大战略需求，又符合我国航天产业特点的制造模式。对航天制造转型发展方向进行分析，提出了航天总装拉动制造模式，并阐述其基本内涵和主要特征，研究提出包括制造总体抓总、高效柔性总装、全链条供应链管控、网络协同制造四方面的实施框架，致力于打造新型航天产品制造体系，实现多层级、多法人制造企业的跨地域、跨网络、跨系统的高效协同，提升航天产品高质量、高效率、低成本交付能力，培育航天制造新质生产力。航天总装拉动制造模式的提出，将会为航天重大任务完成以及航天制造业转型升级提供重要支撑。

生产调度一直是制造领域的研究热点，是生产线高效运行的节拍器。当前，随着智能制造的深入发展，生产调度智能化逐渐成为领域前沿。智能生产线动态生产过程中面临着生产任务变更、制造资源耦合等多源不确定扰动，如何兼顾生产调度效率和准确性是核心挑战。因此，提出了基于数字孪生和强化学习的智能生产线实时调度仿真优化方法。利用数字孪生技术构建生产要素的几何-功能-状态高保真模型，组装形成层次化、高保真虚拟生产仿真环境；设计改进Q-Learning算法建立生产调度优化智能体，通过三元组状态空间重构、多维度奖励函数及双重探索策略，突破传统算法维数灾难与鲁棒性不足难题；建立分层式执行控制架构实现数字孪生和智能体的深度融合，保障生产仿真过程感知-决策-执行闭环协同。某航天产品总装生产线验证结果表明，其他五种经典调度规则执行距离较本文方法增加6.38%到16.50%，显著提升制造资源协同效率。

在实际生产中，由于装配工艺复杂、配置需求多样，大型复杂产品的交付往往采用订单驱动的总装拉动生产模式，通过分布式加工和集中装配的模式完成生产；同时，随着全球对可持续发展的日益关注，绿色节能的生产模式成为了企业和学术界关注的焦点。因此，对机器速度可调的分布式装配作业车间调度问题进行了研究，以最小化最大完工时间和总能耗为优化目标，提出一种带变邻域搜索的非支配排序遗传算法对问题进行求解。在算法的局部搜索阶段，分别面向最大完工时间和总能耗两个优化目标设计不同的机器速度调整策略，并采用基于关键路径的局部搜索方法对工序排序子问题进行优化。为验证所提算法的有效性，在四组不同规模的算例上进行大量试验，试验结果表明所提算法框架和局部搜索方法均能有效改善调度方案。

复杂产品制造当前面临生产规模增加、定制化程度上升与生产周期缩短等发展趋势，亟需探索更高效的调度方法以提升生产效率与支撑发展需求。然而，复杂产品制造常见的总装拉动式生产模式需要多个车间协同生产，具有规模大、资源多、逻辑复杂等特征，现有多车间调度模型与方法难以满足算法优化与响应能力要求。为此，通过考虑车间内部约束与耦合约束，构建一种复杂产品总装拉动式多车间协同调度模型。在此基础上，通过考虑不同车间特性，提出一种基于小生境的多优先级规则集合协同集成式遗传规划算法，以通过生成多个调度规则集合构成更有效的调度策略。此外，构建一种基于互补性的规则集合更新机制来提升生成规则集合有效性，并设计一种多车间次序解码策略以获取完整的多车间调度方案。基于实际场景分析，采用PSPLIB标准数据集构建该问题的数据集，通过与当前最新的遗传规划算法和现有优先级规则对比，并结合消融试验，验证所提算法的优越性。

在总装拉动生产模式下，离散制造车间作为多厂(车间)生产模式的核心载体，其生产任务分散、设备布局灵活、生产过程复杂。然而，瓶颈单元在时间和空间维度上的动态漂移，成为制约生产效率与资源利用率提升的关键挑战。因此，研究离散车间的瓶颈预测问题，对于提升多厂生产模式下的整体生产效率具有重要意义。为了准确预测瓶颈单元并监测瓶颈漂移趋势，提出了一种集成双重注意力机制的时空网络预测模型(Convolutional neural network-long short term memory-dual attention mechanism，CNN-LSTM-DAM)。首先，针对瓶颈单元的多属性耦合特性，构建了复合定义的瓶颈识别模型；其次，将识别出的历史疑似瓶颈数据作为辅助数据，输入融合CNN与空间注意力机制的空间特征感知器以及融合LSTM与状态注意力机制的时序特征感知器，进一步强化模型对生产序列数据中空间和时间维度信息的捕捉能力；最后，通过与门控循环单元(Gated recurrent unit，GRU)、双向长短期记忆网络(Bidirectional long short term memory，BiLSTM)等LSTM变体的消融试验对比，验证了所提模型在预测给定时延内瓶颈单元及瓶颈漂移趋势方面的准确性和有效性。

针对航空智能制造中数据-知识协同效率低、装配偏差溯源困难、工艺参数优化滞后及虚实交互验证不足等关键问题，本研究提出一种以工业大模型为认知引擎的AI孪生控制方法体系，构建覆盖“感知-诊断-决策-验证”的数字孪生闭环控制框架。通过知识图谱网络化关联建模，实现多源异构数据的语义融合与动态推理，打造航空制造工业大模型语料库，形成具备自主演化能力的专业知识底座；开发面向多场景智能决策闭环的工业大模型算法库，利用贝叶斯因果推断解析装配偏差的多层级耦合诱因，结合增量集成学习实现多源耦合偏差的动态演化预测，基于迁移强化学习突破跨场景参数优化瓶颈；最终通过数字孪生技术构建虚实双向驱动的验证闭环。以某型号民用客机机身壁板装配为验证对象的结果表明，所提方法能够显著提升长桁自动装配精度，长桁一次装调成功率较传统方法提升24%；实现钻铆质量实时检测，连续钻铆缺陷识别准确率达98%。该研究通过构建与演化领域知识底座，深度驱动了从偏差因果溯源到孪生验证的全流程闭环，实现了制造决策从经验驱动到模型认知驱动的范式跃迁。

随着新能源汽车产业的快速发展以及市场需求多样化、定制化趋势的兴起，一种新兴的岛式装配模式应运而生，用于解决传统汽车装配流水线柔性不足的问题。此外，在实际装配环境中以紧急插单为典型代表的不确定事件频发，严重制约着汽车总装的稳定性和生产效率。 因此，结合实际需要，开展不确定扰动下岛式装配线动态调度优化。首先，构建形成以最小化最大完工时间和插单变更指数为双优化目标的混合整数非线性规划模型。其次，设计了一种多目标对决双层深度Q网络(MO-D3QN)求解该模型。其中针对岛式装配场景中装配岛、装配工艺、装配产品以及生产运输环节的特征设计了状态指标和动作调度规则。面向双优化目标分别构建了连续型即时奖励函数组件，并采用加权和标量化方法实现奖励聚合。然后，通过对MO-D3QN算法模型的学习训练，实现在不同环境状态下最佳调度规则的选择。最后，在3种规模的实例上开展计算试验，结果表明MO-D3QN优于单一调度规则、随机选择策略和经典DQN，从而验证了MO-D3QN的有效性和竞争力。

针对航天产品总装过程多源异构数据整合困难、质量问题关联追溯效率低的问题，提出一种基于知识图谱的质量追溯方法。通过构建涵盖物流吊装、电缆网导通和综合测试关键场景的知识图谱，整合结构化与非结构化数据，实现跨环节数据的语义关联与深度推理。结合YOLOv8与DeepSORT算法实现物流吊装场景的实时目标检测与行为分析，利用K近邻算法对电缆网导通及综合测试场景的异常数据进行异常判断，基于知识图谱构建“异常-原因-解决方案”联动推理机制，突破传统质量追溯方法的数据孤岛限制，为总装质量问题定位与根因分析提供可解释性支持。案例验证表明，该方法可有效解决航天产品总装过程中的数据孤岛问题，提升异常定位与质量追溯的准确性与效率，为复杂总装场景的智能化质量管控提供技术支撑。

航天大型复杂装备产品类型多样复杂度高，现有的科研生产模式侧重纵向一体化、试制与批产混线生产，导致横向协同困难、批产能力不足等问题。通过分析航天装备产品的混线生产与总装特点，基于航天总装拉动的制造模式，统一数据模型、协同机制、标准规范，构建总装厂、部装厂、零部件厂，以及原材料工厂的跨企业、横向穿透式统一协同平台。各级总装厂依托协同平台发布总装齐套KBOM(Kitting bom)，配套厂基于协同平台关联交付实物、产品合格证、二维码等多维数据，利用数字拉动看板实时展示配套厂全链条全景齐套数据。探索基于跨异构网络的航天装备科研生产协同平台技术架构与安全防护、基于异构协同场景的数据标准与路由传输机制、基于模型的齐套协同环境轻量化传输与解析机制等关键技术，形成以多级总装厂为产业链支点的航天“主制造商-分系统承包商-供应商”模式。在航天典型总装厂、部装厂和零部件厂开展应用实践，理顺以精益化、数字化、网络化、智能化为特征的开放、协同的航天制造产业链，提升供应链整体管理水平，推动拉式生产产业链协同创新和生态化发展。

在航空航天领域，高速飞行器的结构设计对结构重量与表面防护性能有高要求，为保证精度一般需进行打磨加工。然而人工打磨方式依赖经验且工作环境恶劣，工业机器人凭借其高适用性、强灵活性、低成本和易编程等特性，在提升生产效率和产品质量的同时，降低人力成本和劳动强度。综述了薄壁复杂结构涂层机器人打磨技术的最新研究进展，重点聚焦于打磨路径规划、力位混合控制技术及其协同方法。其中打磨路径规划包括路径生成及离散方法，如等参数线法、等残留高度法等传统算法及智能优化方法；针对力位混合控制技术，讨论了控制方法、控制策略以及控制装置等方面内容；并探讨了力位混合控制与路径规划的协同方法，包括数据共享机制、联合优化算法和模型预测控制，旨在保持目标路径的跟踪的同时，控制力和运动的稳定性。通过协同路径规划与力位混合控制技术，可以有效提高机器人打磨的质量与效率，拓展机器人打磨的工程应用能力。

精确的动力学模型对于协作机器人的控制和安全在人机交互任务中至关重要，其研究核心为动力学模型参数辨识。动力学模型中的摩擦项建模不精确会导致机器人控制稳定性和运动精度较差，针对此问题提出一种改进Stribeck摩擦模型，其添加加速度项和速度项以更好地拟合动力学模型中的非线性。首先，利用拉格朗日法建立带关节摩擦力项的机器人动力学模型，并将其分为线性和非线性部分；通过六自由协作机器人平台，以三阶傅里叶级数信号作为关节轨迹输入，并对采集的数据处理并滤波，建立参数辨识的实验数据集；最后利用该数据集辨识动力学模型参数，即利用基于迭代加权的约束最小二乘法辨识线性部分；利用基于密度的带有噪声的空间聚类法(DBSCAN)和灰狼-布谷鸟混合优化算法(GWO-CS)辨识非线性部分。实验结果表明，改进Stribeck摩擦模型能准确拟合关节摩擦的非线性项，相比传统库仑-粘滞摩擦模型和标准Stribeck模型，关节力矩的均方根误差(RMSE)大幅降低，有效地提高协作臂动力学模型的参数辨识精度。

为解决传统轮式移动机器人适应变曲率曲面的难题，结合可重构机构具有多运动模式的优势，提出一种具有变曲率曲面适应能力的可重构轮式移动机器人。首先定义机器人轮腿支链运动平面，构建可重构躯干运动与磁轮姿态的映射关系，进而基于轮腿支链运动平面法矢量建立在四维空间中的姿态直纹面，利用高斯映射表征磁轮法矢量的夹角变化，揭示法矢量夹角与曲面曲率的变化规律，从理论上验证机器人的变曲率适应能力。进一步，基于有限位移旋量理论，分别建立可重构躯干和轮腿支链的运动旋量，结合磁轮在曲面上的滚动约束模型，构建曲面环境下机器人的约束运动学模型。最后，物理样机实验表明，机器人能通过调节可重构躯干姿态在变曲率曲面上灵活运动，验证了其曲面适应性与运动学模型的合理性。

并联驱动式天线座的运动学特性复杂且约束条件高度耦合，因而在建模与参数优化过程中面临较大困难。充分利用天线座俯仰运动与曲柄滑块机构运动特性高度一致的特点，建立天线座与曲柄滑块机构的运动学映射模型，从而将对天线座的研究转化为对曲柄滑块机构的研究。通过对曲柄滑块机构进行多解识别、奇异分析来识别天线座可行正逆解和奇异位置，结合运动学映射模型探索工作空间外奇异位形对天线座结构刚度的影响，并设计出一种适用于这类机构的系统化回溯算法，进一步开展了机构参数优化，显著降低了天线座结构重量并提高了圆形轨道的利用率。

为提高基于混联机构的双足机械腿动力学参数辨识的速度与准确性，提出了一种基于改进的激励轨迹优化方法与常春藤算法(Ivy algorithm, IVYA)的整体参数辨识方法。将机械腿中并联关节简化处理为等效串联关节，基于Newton-Euler法建立单腿动力学线性化模型。与传统方法相比，首次将关节空间利用率约束引入激励轨迹优化，解决了混联机构关节空间紧凑导致的优化效率问题，并完成激励轨迹设计。采用5自由度混联机构的机械腿为实验对象进行动力学参数辨识实验，通过传感器采集关节角度和电流数据，滤波处理数据后使用IVY辨识算法进行参数估计，并将IVY算法辨识得到的预测结果与最小二乘法进行对比。实验结果表明，基于关节空间利用率约束的激励轨迹优化速度提高了17%且条件数误差极小；与最小二乘法相比，采用IVYA动力学辨识模型所得5个关节预测力矩与实际力矩的误差RMS值均更低，RMS值平均减小了13.42%，最大误差RMS值减小了2.68 N·m，证明了所提整体辨识方法的有效性，为基于模型的混联机器人精确控制提供了理论参考。

为提高循环式行星滚柱丝杠副的传动性能，需开展关键零件结构修形研究。针对传统线性补偿修形策略精度不足的问题，建立环状牙-螺纹牙载荷分布数学模型。基于变形协调关系和刚度矩阵，获得滚柱环状牙离散化修形量。进一步结合修形量的分布特征，构建拟合函数模型，并采用Levenberg-Marquardt算法优化拟合系数，以获得最优修形曲线。在此基础上，综合考虑丝杠、滚柱和螺母的牙型半角以及滚柱牙型轮廓半径对接触应力极值的影响，提出多参数耦合的协同修形策略。通过有限元分析，对比修形前后载荷分布与接触应力峰值的变化，验证了所建理论模型的有效性。结果表明，基于二次多项式模型构建的修形曲线使螺母侧和丝杠侧的载荷分布系数分别收敛至0.998～1.001和0.995～1.003，协同修形策略在保持载荷均匀性的同时，使滚柱两侧的平均接触应力分别降低35.55%和32.93%。

水下软体机器人发展迅速、应用广泛，在海洋勘探、军事应用以及工业生产中具有重要意义。然而，现有水下软体机器人大多采用单驱动器实现单自由度运动，或通过多个驱动器控制多自由度运动，一定程度上增加了系统的复杂性。基于此，提出一种基于单磁驱动的可实现水下多自由度运动的软体机器人，该机器人由磁铁、线圈和PET背鳍组成磁驱动器，电源、控制和驱动系统集成在软硅胶鱼体中以应对复杂环境。对磁驱动器施加特定频率的正负电流，驱动背鳍摆动为机器鱼提供下潜推力，利用机器鱼横摇运动带动胸鳍硅胶薄膜产生周期性形变，扰动水流实现前进，通过改变背鳍驱动电压占空比实现转向。基于拉格朗日法建立机器鱼横摇运动方程，利用机械波函数模拟胸鳍实际运动轨迹，并结合牛顿-欧拉法与Morrison方程建立机器鱼下潜运动与前进运动的动力学模型。通过试验数据确定了模型参数，并证实所建模型的准确性。开展样机前进、浮沉、转向等试验测试，证实其水下多自由度运动特性，其在水中前进速度可达0.77 BL/s，下潜速度可达0.26 BL/s，转弯半径最小为1.30 BL，并通过2.7 ℃低温试验证实其具备抵抗低温环境的能力。该机器鱼可拓展应用于多种柔性智能装备中，为海洋探索领域的软体机器人设计提供新思路。

为了精确表征结合部的动力学特性，考虑结合部压力非均匀分布特征，基于分形接触理论和半解析法，提出了精确的结合部分区域虚拟材料等效建模方法。首先，将结合部的接触压力等效为多项式函数，根据实际压力分布对结合部进行子区域划分，使子区域内的压力分布近似均匀；其次，考虑子区域内粗糙表面的微观形貌特征，采用W-M分形函数进行表征，对子区域内不同微凸体的弹塑性变形进行求解，为了准确计算子区域的接触刚度，开发了半解析算法，对粗糙表面发生弹塑性接触变形后的无量纲接触面积进行精确求解；接着，基于分形接触理论计算得到的子区域法向与切向接触刚度，求解出子区域等效虚拟材料参数，通过名义接触面积的加权平均，获得整个结合部的等效虚拟材料参数。最后，搭建了模态测试试验平台，并建立包含等效虚拟材料的有限元仿真模型，虚拟材料参数基于上述方法获得，并对比了压力均匀分布和不考虑结合部粗糙表面微观形貌特征的虚拟材料参数，通过试验和仿真结果分析，验证了本文所提建模方法的准确性和可靠性。

航空发动机轴对称推力矢量喷管因其能够实现360°矢量偏转，是实现推力矢量转化能力的关键部件之一。目前，在进行喷管设计和动力学研究时，大多数是将其关节摩擦系数考虑为恒定，但摩擦系数往往具有时变效应，使得机构在实际工作过程中由于摩擦力动态变化以及设计不合理导致关节出现磨损或卡滞等问题。为此，基于材料级摩擦试验实测数据，首先提出一种考虑时变效应的动态摩擦系数模型，然后建立轴对称推力矢量喷管动力学模型，得到滚子-衬套关键部件的载荷及运动边界条件，在此基础上，分析时变效应对滚子-衬套摩擦特性的影响。结果表明：摩擦系数的时变效应对运行开始阶段的摩擦力影响较为明显，进行机构设计时需重点考虑。

磁场调制型永磁调速器是一种双转子结构的新型磁力传动系统，由永磁同步电机和磁齿轮的拓扑结构组合而成，通过变频控制实现较宽范围的无级调速。首先设计了磁场调制型永磁调速器，推导了磁场调制的物理过程，确立了定子线圈、调制环转子和永磁转子三者极对数和转速的关系。利用等效磁路法，得到了气隙磁密和内、外转子转矩的解析解。利用ANSYS Maxwell软件仿真分析了永磁调速器的气隙磁密分布、谐波成分以及不同工况下的调速特性。分析了影响永磁调速器传递转矩性能的四个重要结构参数，仿真结果表明，为降低转矩波动，应选择极数奇偶性不同的永磁转子和定子绕组；为保证在较低转矩脉动的情况下输出较大的转矩，永磁体极弧系数取0.75～0.8；调制环导磁体宽度比值取0.5、永磁体厚度与物理气隙比值取2时，传递转矩性能最优。制造了工程样机，实验验证了永磁调速器理论模型的准确性，并证明了磁场调制型调速器宽调速范围、高控制精度的优势。为实现磁场调制型永磁调速器的优化设计和变负载工况的精确调速提供了理论支持。

为实现对反射面天线的可视化监控与虚拟调试，提出一种基于控制-电气-机械多领域统一建模和模型参数识别的反射面天线高保真数字孪生系统构建方法。首先，分别构建反射面天线方位与俯仰关节的控制、电气及机械各领域模型，并通过信息传递和能量转换规律将三者耦合为多领域统一模型。其次，在搭建天线物理实体运动控制、数据采集系统与Unity虚拟监控系统的基础上，实时监测天线物理实体运行状态并将运动数据实时采集到上位机，辨识天线机械系统模型的动力学参数，并更新控制与电机模型参数，使多领域统一数字孪生模型可以实时、准确地映射天线物理实体的运动状态。最后，基于多领域统一数字孪生模型进行反射面天线运动性能虚拟调试，并以0.9 m反射面天线为试验对象，验证所建立模型方法的有效性与实用性。

振动压路机振动轮的动态行为特性分析，是智能压实系统参数决策研究的基础。然而，不同激励参数下的动力学响应特性以及不同压实阶段间的变化机理尚未得到充分研究。本研究基于粘弹塑性路基，建立了3自由度的振动压路机-路基的非线性耦合动力学模型。通过分析振动轮不同压实状态的振幅特征，提出振动轮压实能力的计算指标。结合振动轮的双参数分岔，研究不同激励参数下振动轮的非线性振动响应对压实能力的影响。结果表明，压实初期适宜选用较低的激励频率和较大的激励力。这有利于增大振动轮的压实能力。压实后期适宜选用较高的激励频率和较小的激励力。这有利于提高振动轮压实振幅的均匀性，以及避免跳振现象。非单周期运动状态的振动轮有更高的压实能力，但这可能会增加振动轮对路基的冲击作用。本研究的压实能力计算方法，从动力学角度为智能压实系统的激励参数决策提供了一种理论依据。

黏结剂喷射技术(Binder jetting technology，BJAM)的高效率和氧化铝(Al₂O₃)的耐高温性为涡轮叶片铸造型芯的制备提供了优势，但BJAM成形Al₂O₃陶瓷较低的力学性能难以满足型芯的使用标准。为了改善上述问题，本研究提出引入氮化硅(Si₃N₄)和真空浸渗硅溶胶实现Al₂O₃陶瓷型芯性能的提升。详细研究不同质量分数Si₃N₄(0%～20%)和硅溶胶对Al₂O₃陶瓷孔隙率、尺寸收缩率、微观结构和力学性能的影响规律。结果表明，当Si₃N₄质量分数为10%且烧结参数为1500℃/4h时，Si₃N₄与Al₂O₃反应生成了最佳含量的莫来石和塞隆化合物，可以显著提升陶瓷的综合性能，孔隙率和抗弯强度相比于纯Al₂O₃分别达到51.62%和21.2MPa，但X，Y和Z轴尺寸收缩率相应增大到4.55%，5.36%和6.21%。当Si₃N₄–Al₂O₃陶瓷经过初步烧结和浸渗硅溶胶二次烧结后，由于SiO₂和Al₂O₃反应生成的莫来石，改善了陶瓷孔隙率和抗弯强度(0%Si₃N₄–Al₂O₃：39.77%/34.8MPa，10%Si₃N₄–Al₂O₃：41.28%/37.9MPa），这表明掺杂Si₃N₄和硅溶胶浸渗可以显著提升Al₂O₃陶瓷的综合性能，为快速低成本制备陶瓷型芯奠定了理论基础。

热塑性碳纤维复合材料因其密度低、强度高、耐腐蚀、可塑性好等优点，已经在航空航天和航海等领域开始得到推广应用。超声波焊接是常规热塑性碳纤维复合材料实现连接的有效工艺方法之一，然而，对于玻璃化转变温度高达280 ℃以上的耐高温杂萘联苯聚芳醚树脂(PPESK)/碳纤维复合材料的超声波焊接面临挑战。针对该种热塑性碳纤维复合材料0°/90°连续铺叠制备过程超声波焊接需求，开展了三种典型的不同纤维方向搭接叠层超声波焊接试验研究，分析了超声波焊接界面的宏微观结构和超声波焊接界面的粘接行为，揭示了超声波焊接工艺参数对该种热塑性碳纤维复合材料连接强度的影响规律，阐明了提高超声波焊接高强度的要点在于较大压力和焊接热作用下实现叠层纤维的相互嵌入。研究工作为新研制的热塑性复合材料0°/90°连续铺叠制备生产线的超声波焊接提供了可靠的工艺参数。

在汽车轻量化技术领域，大型压铸构件因其一体化特征和涉及多学科交叉问题而备受关注，系统性建立针对这类大型压铸构件的轻量化设计方法，以实现多学科性能约束下的全局轻量化设计。针对不存在自然边界的连续车体结构，提出一种兼顾碰撞非线性特征的子系统划分策略，并通过模型降阶技术在确保分析精度的条件下，显著提高计算效率。采用折衷规划法对静态和动态性能目标进行归一化，并构建综合目标函数；提出一种基于初始设计状态性能信息的客观决策序列计算方法，结合层次分析法确定主客观组合赋权的子目标综合权重系数，通过开展拓扑优化，有效指导加强肋的设计。定义适用于压铸件变厚度结构的参数化方法，基于相对灵敏度、熵权法和优劣解距离法(Technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS)筛选出对性能影响较大的关键厚度变量。基于最优代理模型，利用差分进化算法开展优化并完成厚度参数设计，最终的工程化方案满足多学科性能并达成全局轻量化，实现减重5.0 kg。所提出的一体压铸构件轻量化方法可为复杂系统模型降阶、大型压铸构件优化设计提供理论与实践依据。

熔融石英微半球谐振陀螺具有品质因数高、抗冲击性能好、体积尺寸小等显著优点，是目前精度最高的微机电陀螺之一。低损伤高精度的机械修调是微半球谐振陀螺性能提升的关键技术之一。由于微半球谐振结构初始频差大，机械修调会产生大量粉尘，需要在镀膜前进行初步修调便于后续清洗。针对壳面质量刚度异常敏感和特定区域能实现质量刚度解耦的特点，提出了一种基于离子束刻蚀的未镀膜微半球谐振结构频率裂解修调技术，实现低损伤机械修调。通过理论和仿真分析了壳面修调模型对谐振结构频率裂解的影响规律，确定了修调中心区域的位置和修调尺寸的大小。针对未镀膜微半球谐振结构频率裂解的检测，建立了平面叉指电极测试系统，准确辨识出谐振结构频率裂解大小及刚性轴方向。最后，设计了离子束修调实验，对所提出的方案进行实验验证，将未镀膜微半球谐振结构频率裂解降低至100 mHz以下，有效提升了微半球谐振陀螺性能。

金刚石微磨具可以快速精确地去除病灶区骨组织，在骨科手术中受到广泛应用。但生理盐水喷雾式冷却存在微磨具/骨界面铺展浸润性低、磨削温度高的技术难题，易引起生物骨组织热损伤。借鉴沙漠甲虫捕水及定向输运原理，构建仿生沙漠甲虫微磨具，有望解决骨微磨削热损伤的技术瓶颈。基于此，首先研究了仿生沙漠甲虫亲/疏水微磨具表面液滴动力学机制，揭示了表面能与拉普拉斯压力协同作用下的液滴铺展机理，构建了在润湿性梯度、温度梯度等因素影响下的仿生微磨具/骨界面液滴铺展半径模型。然后，进行了仿生微磨具表面液滴铺展实验，探究了液滴在微磨具表面的铺展形态，验证了微磨具表面液滴铺展半径模型，平均误差为10.34%。最后,开展了骨微磨削实验，探究了仿生微磨具骨磨削实验参数对磨削温度的影响趋势和机理。结果表明，仿生微磨具可以增加液滴铺展面积，降低微磨削温度。旨在为降低生物骨微磨削的磨削温度提供理论指导和技术支持。

导电聚合物水凝胶因其兼顾导电性与生物相容性，被广泛应用于储能、柔性电子和生物电子学等领域。目前，大多数导电聚合物水凝胶的制备依赖于传统2D技术。例如，打印、铸造、平板印刷术等。其制造程序繁琐、成本高、3D实体结构分辨率低。这些局限性阻碍了聚合物水凝胶作为电子导体的应用与创新。为此，提出一种新型复合油墨，具有优异的适印性，用于计算机跨尺度挤出式墨水直写(Direct ink writing，DIW)。通过交联及酸后处理，将其转化为高性能的导电水凝胶。经过改性处理的3D打印水凝胶，具有62 S/m(凝胶状态)、311 S/m(干燥状态)的电导率及超过210%的应变。通过调节打印参数，以满足不同黏度墨水的打印需求，从而制造出具有拉伸性能及多层结构堆叠的水凝胶柔性电感器，用于无线电信号传输。此外，因其具有良好的生物相容性及分子结构稳定性，在可植入电子工程领域中，将展现其巨大的应用潜力。

在机床设计与制造初期，精确预测其动态特性是确保高端数控装备可靠性的关键。然而，重型机床因其庞大的尺度和复杂的结构，使得传统的多体动力学和有限元技术在高效、准确解析其系统动态性能方面面临显著挑战。此外，该类型机床又包含诸多的非线性栓接结合部，其影响更不容忽视。为深入研究重型机床-地基基础系统(Heavy-duty machine tool - foundation system，HDMTFS)的动态特性，考虑栓接结合部影响，创新性地引入包含X、Y、Z、R_x、R_y和R_z方向刚度的空间铰传递矩阵，基于线性多体系统传递矩阵法，构建更符合工程实际的HDMTFS动力学模型。该模型不仅能有效探究机床系统的自由振动特性，还可分析关键栓接部位性能退化对整机动态特性的影响，从而识别系统的薄弱环节，为重型机床大型构件的栓接可靠性设计提供重要理论指导。

监测冲压件成形质量变化，对于避免缺陷产生与资源浪费，实现绿色制造至关重要。模具的封闭性和环境噪声干扰导致图像、振动及压力分布等数据难以准确获取，影响冲压件成形质量的监测精度。已有研究指出，易采集且抗干扰的冲压力在冲压深度上的积分(即工艺能量)与冲压件的厚度变化率之间存在定量变化关系。为此，本文提出了一种通过颜色与深度表征并监测冲压件厚度变化率的冲压工艺能量图谱。图谱以冲压深度与工艺能量分别作为横、纵坐标，将测量厚度变化率根据对应坐标分布于图谱之上。考虑有限测量数据对数据插值预测数据精度的限制，应用一种数据空间混合策略，将数据插值预测的厚度变化率与仿真厚度变化率进行空间加权混合，实现图谱的精确填充与着色。进一步根据厚度变化率阈值曲线，完成图谱质量区域的划分。类车门内板件厚度变化率监测结果显示，图谱监测的平均绝对百分比误差不超过5%，对破裂与起皱的识别准确率超90%。应用图谱进行工艺控制的结果显示，冲压件的最大减薄率降低了14.56%，有效地避免了冲压件的破裂。所提出的冲压工艺能量图谱可实现冲压件成形质量的精确监测，助力高质量、零缺陷生产。

材料热变形过程的影响参数众多，导致其微观组织演化规律复杂、流动行为难控。为此，基于Gleeble-3500设备全面研究了奥氏体化温度、变形温度及应变速率对300M钢流动行为及微观组织演化的影响规律。结果表明，相比于变形温度和应变速率，奥氏体化温度对300M钢流动行为的影响更加复杂。随着奥氏体化温度增加，300M钢的流动应力在峰值应变前变化不大，在峰值应变后先减小后增加。基于微观组织分析发现，随着变形温度升高、应变速率及奥氏体化温度降低，动态再结晶进展更加充分。奥氏体化温度对动态再结晶进展的影响主要是低奥氏体化温度所带来的初始细小晶粒尺寸促进动态再结晶的发生。为了准确描述奥氏体化温度、变形温度、应变速率及应变耦合作用下的流动应力响应，在Hensel-Spittel模型中引入关于变形前晶粒尺寸的多项式，建立了基于Hensel-Spittel模型修正的300M钢本构模型，该模型预测精度达0.99727。上述研究为300M钢热变形行为的准确预测及调控奠定了理论基础。

提出一种基于旋转喷头的四轴联动多材料同步3D打印技术方案，引入三喷嘴微喷头同时挤出三种材料，同时为喷头增加一个旋转自由度，当三种材料同步挤出时，喷头根据打印路径旋转，防止三种材料的打印路径重叠和材料干涉，实现三种材料的同步3D打印。基于上述方案，开发了专用的多材料挤出喷头和四轴联动同步3D打印设备。以Pluronic F127作为测试材料，制备了适合打印的浆料。研究了多材料的挤出气压组合、扫描速率、层厚对打印工艺的影响，优化了打印工艺参数，获得了效果良好的多材料打印结构，并通过各类图形验证了打印工艺的有效性。本研究提出的四轴联动多材料同步3D打印方法有望应用于多材料功能器件的一体化制备，推动3D打印技术在复杂功能器件领域的应用。

针对中空点阵结构参数化建模困难、各向同性属性优化效率与精度低的问题，提出了一种中空各向同性点阵结构优化设计方法。引入水平集隐式建模方法，构造了基础实心微结构的符号距离函数，通过布尔求差操作建立了中空点阵参数化几何模型。利用均匀化方法计算了微结构的弹性性能，并进一步构建了中空点阵样本数据库和Kriging代理模型，完成了弹性性能的高精高效预测。建立了中空各向同性点阵结构优化数学模型，引入遗传算法进行求解，实现了特定体积分数下微结构各向同性性能的快速优化。优化得到了6种构型的中空各向同性点阵，并通过压缩试验验证了结构的各向同性性能。数值结果表明所提出方法能够有效实现中空点阵结构参数化设计，并且在兼顾计算精度的同时显著降低了各向同性属性优化成本。

具有除冰、除雾、除霜功能的大尺寸透明玻璃加热器(TGHs)广泛应用于挡风玻璃、玻璃幕墙、展示冷柜等领域。然而，现有技术在大尺寸、非平整玻璃基底上制造高性能TGHs存在均匀一致性差、效率低、成本高等问题，制约了其广泛工业化应用。针对这些挑战性难题，提出一种结合电场辅助垂直喷射临界接触打印、湿法刻蚀和电镀的增减材复合制造新工艺。通过调控泰勒锥的锥形，结合提出的垂直熔融喷射临界接触打印模式，增大打印高度(最大打印高度0.7 mm)，在平整度误差超过0.28 mm的基材上实现了均匀一致聚己内酯(PCL)掩模的打印，所使用的低成本热熔融PCL打印材料，解决了长时间打印喷头易堵塞的难题。随后，利用湿法刻蚀(减材体成形)和电镀(增材体成形)，实现金属网栅高效低成本制造。结合优化的工艺参数制造的大尺寸TGHs(300 mm×300 mm)线宽变化小于1.5 μm，线阻变化小于0.3 Ω，在95.73%的透光率下线阻仅为0.39 Ω/mm，并具有均匀的电加热性能。经刮擦、附着力和超声测试后电阻变化率小于0.7%，经酸碱腐蚀测试后电阻变化率小于5%，72 h高温高湿测试后电阻变化率小于16.8%。提出的方法为低成本、高效、批量化生产具有高透光、高导电性的大尺寸TGHs提供了一种具有良好工业化应用前景的解决方案。

在飞行器结构中，承力孔孔边倒角作为典型的应力集中细节，在承受复杂交变载荷时易产生疲劳裂纹，从而影响飞行器的整体服役寿命。然而在对孔边倒角进行强化时，由于其尺寸过小，且存在倾角，因此难以使用传统方式进行强化，且其加工精度难以保证。针对此问题，本研究提出了一种可提升孔边倒角表面性能的高速超声冲击强化方法。通过理论分析得到了倒角超声冲击强化的运动学分析和倒角表面形貌的形成原理。同时通过45钢超声冲击强化实验，探究了超声冲击处理的工艺参数(预压深度、主轴转速、强化时间)对倒角表面完整性的影响。实验结果表明该高速超声冲击强化方法可显著降低倒角表面粗糙度，并在倒角表面引入残余压应力，形成硬化变形层，验证了超声冲击强化对孔边倒角表面完整性的提升效果。