高周转率和短保质期的复杂产品具有较高订单频率的特征。传统的价值链设计大多基于复杂产品订单数据的时序和销量对销售周期的影响，忽略了其订单频率中蕴含的细节信息，因而难以准确捕捉多主体间快速变化的供需关系。为了解决这一问题，提出了一种融合多主体需求频率特征的复杂产品全生命周期价值链协同设计方法。首先，采用门控卷积的频率序列提取方法识别多主体需求；其次，将基于频率分段的Transformer时序预测模型融合于订单频率信息，根据改进的时序-频率多头自注意力（seq-fre multi-head attention）结构建立全生命周期价值链，不同分段的时序和频率特征对应不同的注意力头，以实现多段时序和频率特征的融合；最后，将新型价值链协同设计方法应用于某复杂产品多主体需求预测问题，进行实验验证。研究表明，所提出的融合需求频率特征的价值链协同设计方法预测准确度较高，具有很好的应用前景。

针对部分机电产品在概念设计阶段未综合考虑客户和环境的需求，进而影响产品详细设计的问题，提出了一种基于功能—结构—客户和环境需求（function?structure?requirements of customer and environment, FSRce）模型的机电产品绿色概念设计方案生成方法。首先，从案例库中选择合适的功能和结构对现有产品设计树中的节点进行扩展和关联；同时通过数据挖掘、专家打分等方法获得产品的客户和环境需求重要度，以构建基于FSRce模型的产品概念设计空间。然后，先利用加权区间粗糙数法对客户和环境需求重要度进行分析，得到需求相对重要度，再运用模糊质量功能展开（fuzzy quality function deployment, FQFD）将需求相对重要度转化为产品的工程特性权重。最后，利用物元理论构建基于工程特性的产品物元域和各结构物元集，并结合工程特性权重得到各结构的满意度分值，通过比较满意度优选得到满足客户和环境需求的产品概念设计方案。以某小型工业吹风机为例，基于上述方法对其概念设计方案进行优化。相比于原始方案，优化后的吹风机在能源消耗上降低了15.38%，在碳排放上降低了15.32%，且客户满意度提高了44.66%，由此验证了所提出方法的可行性与有效性。所提出的方法为机电产品概念设计方案的生成提供了一种新思路，能更好地辅助设计人员实现对机电产品的绿色设计。

为提高折展机构的折展率和支撑性能，提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先，提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构，利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响，发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量，且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后，根据泊松比的定义，设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构；基于螺旋理论，通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1，将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后，建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机，进一步验证了机构的变泊松运动特性，这可为后续的研究提供理论基础。

高性能液压缸的生产工艺柔性大，加工周期长，其生产属于典型的非标、单件小批量离散型制造模式，在设计和生产中难以优化和控制。针对液压缸生产企业在使用数字化设计和流程管控软件时软件集成度低和耦合度高的问题，设计了一种高性能液压缸数智化设计与制造平台。通过可重构中间件技术，该平台集成了AutoCAD、SolidWorks等软件接口，并在融合神经网络算法和多目标优化技术的同时，构建了图库、工时预测、柔性工艺规划等数字化设计和生产管控模块。该数智化设计与制造平台可以实现设计与制造过程的全生命周期管控，为制造企业实现数智化转型提供有力支撑。

为了解决挖掘机作业阶段识别方法可靠性较低的问题，提出了一种基于信息融合和多粒度级联森林模型（information fusion and multi-granularity cascade forest model，IFMCFM）的智能识别方法。利用信息融合技术将挖掘机作业阶段的类别概率向量与高重要度特征进行融合，形成新的识别特征；将新特征输入级联森林模型，采用不同比例的训练集对模型进行训练并对识别结果进行分析；将IFMCFM的识别结果与DAGSVM（directed acyclic graph support vector machine，有向无环图支持向量机）、PCA-SVM（support vector machine based on principal component analysis，基于主成分分析的支持向量机）、LIBSVM（library for support vector machines，支持向量机库）和LSTM（long short-term memory，长短期记忆）的识别结果进行对比。研究结果表明：当训练集比例为80%时，IFMCFM的识别准确率、召回率和F₁（精确度和召回率的调和平均数）指标分别为95.00%，95.17%和95.02%，识别效果较优；相比于其他识别模型，IFMCFM的识别准确性和可靠性最高。IFMCFM可以有效地识别挖掘机作业阶段，具有较高的应用价值。

针对工程中常用的一阶可靠性分析方法在求解非线性程度较高的极限状态函数的可靠性时精度不足的问题，在二阶可靠性分析方法的基础上提出了一种基于抛物线近似的结构可靠性分析方法。首先，采用一阶可靠性分析方法迭代求解标准正态空间下的最大可能点。然后，以最大可能点与坐标原点构成的向量作为新坐标轴，基于极限状态函数最大可能点各方向上的曲率构建近似抛物线，以提高边界区域的近似精度。最后，根据标准正态分布概率密度对新坐标轴上的近似抛物线进行积分，以求解结构的可靠概率。通过4个算例来比较一阶可靠性方法、二阶可靠性方法与基于二阶抛物线近似的可靠性分析方法，以验证所提出方法的可行性。结果表明，当面对非线性程度较高的可靠性问题时，一阶可靠性方法的求解精度较低，二阶可靠性方法在特殊情况下会发生求解错误，而通过抛物线近似积分的方法可有效提高结构可靠性分析的精度并保证求解的稳定性。研究结果可为复杂结构的可靠性分析提供参考。

利用配分布曲线法构建无失效数据的可靠性评估模型时，往往采用E-Bayes或多层Bayes来估计失效概率，但因其估计能力有限，整体可靠度点估计精度不高。针对威布尔分布数据提出了一种新的双修正多层Bayes方法，用于改善失效概率估计，并完成可靠度点估计。在多层Bayes的基础上，通过修正失效概率上下限值来减小失效概率估计误差，然后结合加权最小二乘法和威布尔分布可靠度函数确定参数估计值和可靠度曲线，从而得到可靠度点估计。利用Monte-Carlo仿真试验，发现新方法能将参数估计相对误差控制在10%以下，并且得到的可靠度值更加趋近真值。通过实例分析发现，在超参数c取不同值的情况下，采用新方法得到的可靠度都更加接近工程实际。新方法适用性分析表明，形状参数\beta是影响估计精度的关键因素，且在\beta >\mathrm{2.2}时新方法具有明显的优势及良好的稳健性。研究结果可为其他寿命分布无失效数据的可靠性评估提供参考。

冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素，设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征，基于Voronoi算法，开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布；参考骨质内疏松外紧密的排布特征，进行分区设计，来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金及激光选区烧结碳纤维/PEEK（polyether ether ketone，聚醚醚酮）复合材料仿生薄壁结构和均布蜂窝结构的抗冲击仿真，对比了2种结构的吸能特性。仿真结果表明：相比于均布蜂窝结构，在轴向冲击条件下，激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%；在侧向冲击条件下，最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

为了降低反应堆安全壳整体泄漏率测量试验风险和使泄漏率测量结果更加保守和可信，基于空气稳定准则、函数曲率准则和数据分布准则，提出了一种适用于我国核电机组的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的优化方法。结合法国电力集团的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间调整方法，明确了安全壳整体泄漏率测量试验结束的判定要求，并提出了增加安全壳内空气稳定判定准则和整体泄漏率测量终止判定准则的优化方法。以20组安全壳打压试验样本为例，计算了安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间。结果表明，共有17组样本满足优化条件，其中15组样本在16 h内满足整体泄漏率测量终止判定准则，其余2组样本分别在19.25 h和18.25 h内满足全部的验收准则。所提出的优化方法能够缩短反应堆安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间，其比法国的方法更为保守、可信。

集装箱正面吊运起重机（以下简称正面吊）在港口的实际作业中发挥着重要作用。随着社会对能源和环境问题的日益关注，正面吊的电动化趋势愈加显著，市场上电动正面吊的数量逐年增加。电耗性能直接影响电动正面吊的续航能力、作业效率和作业成本，是电动正面吊的重要性能之一。驾驶行为、作业工况、设备故障等因素均会对电动正面吊的能耗产生影响。为此，通过收集电动正面吊客户侧的实际运行数据，基于LightGBM（light gradient boosting machine，轻量级梯度提升机）模型，在微观和宏观两个层面分别对电动正面吊的行驶和作业过程进行能耗建模，并运用SHAP（Shapley additive explanations，沙普利加和解释）理论量化分析不同作业工况、作业行为对电动正面吊能耗的影响，同时识别设备故障所引起的能耗异常。结果表明，基于SHAP-LightGBM的能耗模型能够准确预测和分析电动正面吊的行驶和作业能耗，可为电动正面吊的设计、能耗策略优化提供有效的信息输入，同时可建立电动正面吊实际运行过程的理论能耗基准，有效指导驾驶行为和识别故障造成的能耗异常等。

在弹性和误差作用下，齿轮接触的高效、精准建模是研究齿轮传动精度的重要基础。为准确分析渐开线圆柱齿轮的弹性和误差对传动精度的影响，提出了一种考虑弹性误差的齿轮半解析接触模型。以渐开线斜齿圆柱齿轮为例，首先，结合齿轮的齿面方程与齿廓误差建立误差齿面模型，得到了误差齿面方程。然后，将解析法和有限元法相结合，建立了弹性误差作用下的齿轮半解析接触模型，并推导了其变形协调方程和力平衡方程。最后，建立齿轮的完整和局部有限元模型，通过提取接触齿面的柔度矩阵来计算齿轮的传动误差。应用所构建的半解析模型分析了齿廓误差和弹性变形对齿轮传动精度的影响规律，并与有限元仿真结果进行对比，验证了该半解析模型的高效性和精准性。研究结果可为渐开线圆柱齿轮在工程中的应用提供理论指导。

大口径反射面天线是深空探测、卫星通信的关键设备。为了不断提高观测性能，天线口径不断增大，进而对天线指向精度的要求越来越高。随着天线口径的增大，天线的刚度降低、迎风面积增大，这会导致天线的柔性变形严重，性能难以保证。为探究环境风载荷下大口径反射面天线的柔性变形对电性能的影响，提出了一种天线波束指向分析模型。首先，利用计算流体力学方法对天线表面的风压分布情况进行了数值模拟，得到了天线表面的风压系数。然后，利用风压系数与风速无关的特性，分析了不同风速工况下天线结构变形的规律。最后，根据天线结构变形的特点，分析了天线在不同工作状态下的增益损失、指向偏差等的变化规律。结果表明，所提出的模型可以快速评估大口径反射面天线在风载荷下的变形情况和波束指向特性，这为后续的天线抗风结构设计与系统控制研究提供了理论指导。

在当前民用飞机舱门操作面板设计中，人机功效和界面设计缺少统一的标准和规范，设计过程过于依赖个人经验和自身偏好，导致所设计的操作面板在使用过程中人机功效较差。为此，基于人机工程学原理讨论了民用飞机舱门操作面板显示与操作的设计原则，并提出了一种集中式舱门操作面板及区域控制面板的设计方案。首先通过问卷调查来确定舱门操作面板的信息组织、编码、显示元素和显示形式等，然后构建舱门操作面板、区域控制面板以及飞机的三维模型，最后使用人机工程仿真软件DELMIA对操作面板的布置、按键尺寸和触及域进行了动态操作仿真。仿真结果表明，所设计的舱门操作面板增强了人机功效，提高了作业的安全性和效率，减少了空乘人员的误操作和工作负荷。所设计的操作面板和区域控制面板不仅实现了整机舱门的集中监控管理与区域作动控制，还能作为人机交互设备，适用于大中型宽体飞机的客舱和货舱，应用前景十分广阔。

动力电池是新能源汽车的核心部件，其电化学性能和热性能是决定新能源汽车能否规模化推广应用的关键，然而宏观尺度下的电化学性能和热性能既受到微观尺度下的电极材料特性的影响，又受到介观尺度下的电池结构参数的影响。为了揭示电池材料参数、电极结构参数和电池工作参数对动力电池性能的影响机理，以18650型镍钴锰三元动力电池锂为研究对象，通过构建电池电化学-热耦合模型，分别探究了上述各参数对动力电池电化学性能和热性能的影响规律，综合分析了电池材料—结构—性能跨尺度关联效应。研究结果表明：电池材料参数、电极结构参数、电池工作参数对动力电池性能的影响具有跨尺度强相关的特征。单一尺度下的动力电池设计及性能优化并不能得到最优结果，开展材料—结构—性能跨尺度设计及优化是动力电池安全性能和动力性能提升的根本途径。

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度，对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先，基于压电片变形镜的参数化有限元模型，提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后，通过正交遍历多维设计参数（光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等），探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后，优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案，并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明，所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期，验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性，这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。