浙江大学谭建荣院士领衔策划——复杂装备智能设计理论与方法丨BG皇冠体育JME特邀专栏（上）

　　BG皇冠体育当前，新一轮科技革命和产业变革正在兴起，互联网、大数据、云计算、人工智能等为代表的新一代信息技术正在加速与工业技术相融合，机械装备制造正面临设计制造全过程正向化、结构材料与功能一体化、服役环境与工况极端化、市场响应快速敏捷化、装备质量精度高品质化、运行决策与控制自主化、装备制造与服役绿色化等新的挑战和科学难题，这给设计理论与方法如何支撑复杂装备自主设计与制造提出了更高的要求，也正深刻影响着设计模式、技术和工具环境的变革。对机械产品在创意BG皇冠体育、设计、加工、装配、测试、服役、维护和回收等全寿命周期内的多源异构信息和知识进行深度融合，发展复杂装备智能设计方法，是未来装备创新设计的重要方向。”专栏，广邀本领域专家学者结合自身科研实践，介绍最新研究进展、总结学科发展脉络及面临的挑战，在广泛开展学术交流，促进科研成果传播的同时，吸引更多的青年科学工作者参与、创新“中国设计”，不断推动装备设计领域发展。专辑共收录论文

　　韩旭，河北工业大学教授、博士生导师BG皇冠体育、国家级人才，现任河北工业大学党委书记、省部共建电工装备可靠性与智能化重点实验室主任。长期从事复杂装备先进设计领域的理论创新、技术突破与工程应用研究，系统地开展了“装备高性能设计与精细模拟”研究。主持包括国家自然科学基金创新群体项目、科技创新2030—重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等多项国家级课题。出版中英文专著4部，发表SCI论文200余篇，他引10000余次，授权国家发明专利80余项。兼任国际计算力学学会总理事会理事、中国机械工程学会常务理事、中国力学学会常务理事和河北省机械工程学会理事长等。任《ASME-Journal of Mechanical Design》《Inverse Problems in Science & Engineering》《International Journal of Computational Methods》期刊副主编。获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、国际计算力学华人联合会计算力学奖、中国机械工业科学技术一等奖以及河北省科技突出贡献奖等多项国家级和省部级奖励。

　　谭建荣，中国工程院院士，浙江大学求是特聘教授、博士生导师。现任浙江大学设计工程及自动化系主任、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室学术委员会副主任、浙江大学CAD&CG国家重点实验室学术委员会委员，兼任中国图学学会名誉理事长、教育部工程图学教学指导委员会主任。先后获首届“国家杰出青年科学基金”、“中青年图形科技跨世纪人才”、国务院政府特殊津贴、“浙江省重点学科带头人”、“浙江省‘151’人才工程第一层次”、“浙江省新世纪重点培养人才”、国家863计划自动化领域CIMS主题设计自动化专题专家、国家“百千万人才第一二层次”、“科技部十五863先进个人”、“科技部十一五国家科技计划执行突出贡献奖”等荣誉和称号。提出了多品种大批量定制设计技术、多性能数字化样机设计技术和多参数分析与匹配设计技术，研究成果获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖5项，省部级科技进步一等奖7项，教学成果获国家级优秀教学成果奖3项，其中一等奖1项，二等奖2项。

　　姜潮，湖南大学教授、博士生导师，现为湖南大学副校长、国防科工局“国防科技创新团队”带头人，入选国家级高层次人才、国防科技重大专项和国家重点研发计划项目首席科学家等。以第一作者出版专著3部，发表SCI论文100余篇，SCI他引7000余次。申请/授权国家发明专利70余项，国防发明专利20余项，登记软件著作权10余项。作为第一完成人获国家级教学成果二等奖1项、湖南省高等教育教学成果二等奖1项，作为主要完成人获湖南省高等教育教学成果特等奖1项；作为第一完成人获湖南省技术发明一等奖1项、机械工业科学技术奖一等奖1项，作为主要完成人获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项；获第十五届中国青年科技奖、全国百篇优秀博士论文、第三届“腾讯科学探索奖”等。主持20余项国家级和省部级科研项目，相关成果成功应用于航空航天、核工业、汽车、国防装备等领域。

　　高亮，华中科技大学教授、博士生导师，现任华中科技大学副校长、国家智能设计与数控技术创新中心主任。获国家杰出青年基金资助，首届“科学探索奖”，IET Fellow。兼任国务院学位委员会智能科学与技术学科评议组成员、中国机械工程学会工业大数据与智能系统分会主任委员。长期致力于智能优化与机器学习方法在设计制造中的应用等研究，尤其是智能设计与智能调度的研究。出版专著15部，在Nature Communications等期刊上共发表SCI论文700余篇，被引2.3万次。授权发明专利50项，登记软件著作权28项。获国家科技进步二等奖1项、国家级教学成果二等奖1项、教育部自然科学一等奖2项、湖北省自然科学一等奖1项。担任IET Collaborative Intelligent Manufacturing和Light: Advanced Manufacturing共同主编、Chinese Journal of Mechanical Engineering副主编等。

　　朱继宏，西北工业大学教授、博导、比利时列日大学航空航天工程科学博士、英国伦敦玛丽女王大学客座教授、国家科技创新领军人才。航空学报、电子机械工程、航空制造技术等期刊编委、火星探测项目天问一号技术审查专家、空天某重大专项专家组成员、某重大装置副总师。主要从事飞行器新概念整体结构技术、空天飞行器防热-承载一体化、智能结构与机器人技术研究。获国家自然科学二等奖、第十六届中国青年科技奖、中国青年“五四”奖章团队、三项陕西省科学技术一等奖，以及航空学会青年科技奖、邓稼先青年科技奖、钱令希计算力学青年学者奖等。

　　白影春，北京理工大学长聘副教授、博士生导师。长期从事新能源汽车与高端装备先进设计理论与应用研究，主要研究方向包括：面向制造的车辆超大型薄壁结构优化方法；车规级器件多物理仿真与集成优化方法；人工智能驱动创成式设计方法等。主持国家自然科学基金、装备预先研究计划、重点实验室开放基金等多项研究课题，参与2项国家重点研发项目。在国内外学术期刊发表论文40余篇，授权/申报发明专利及软件著作权10余件。任《Chinese Journal of Mechanical Engineering》《Green Energy and Intelligent Transportation》 青年编委、中国汽车工程学会越野车分会委员、新能源汽车轻量化技术安徽省重点实验室学术委员会委员等。

　　引用格式:娄山河, 冯毅雄, 胡炳涛, 洪兆溪, 谭建荣. 人机认知协同的复杂装备概念设计：挑战、进展和展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 2-19.

　　传统计算机辅助设计的局限性：传统计算机辅助设计主要依赖于几何特征和定量表征，通过经验试错来推进BG皇冠体育，这种方法在概念设计阶段难以应对设计信息残缺和认知混沌的挑战；

　　人机认知协同的概念设计：随着认知科学和人工智能的融合，提出了人机认知协同的概念设计方法，将设计对象与设计主体有机结合，通过认知推理和规律揭示，实现设计过程的计算机可理解性和可计算性；

　　关键技术与未来展望：人机认知协同设计涵盖了客户需求语义认知、思维规律神经成像、智能认知推理和协同认知决策等关键技术。未来的计算机辅助概念设计将更加侧重智能化和人机协同，突破现有设计方法的局限性。

　　引用格式:朱继宏, 张亦飞, 侯杰, 李祥吉, 张卫红. 考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 20-31.

　　协同优化模型：提出了一种考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法，以加权频率最大化为目标，确保结构在动态载荷下的强度和稳定性；

　　材料分布与尺寸设计：通过拓扑优化确定内部材料分布，结合自由尺寸优化确定壳体厚度，并在工艺性基础上进行精确尺寸设计，提升了结构性能；

　　设计效率提升：采用板壳实体混合模型进行优化，显著提高了固有频率，降低了最苛刻工况下的最大应力和位移幅值，有效减少了设计过程中的反复迭代。

　　引用格式:白影春, 刘康, 李超, 韩旭. 基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 32-40.

　　大规模并行拓扑优化框架：提出了一种基于两步滤波法的三维薄壁填充结构拓扑优化框架，目标是最大化特征频率，并通过PETSc和SLEPc软件包实现高效的并行求解；

　　灵敏度分析与优化算法：推导了特征频率和结构质量关于设计变量的灵敏度，利用移动渐进线法(MMA)求解器更新设计变量，并结合模态置信准则(MAC)进行模态追踪，解决模态切换问题；

　　算法性能提升与轻量化设计：通过数值算例验证算法的有效性，实现了具有70万自由度的拓扑优化设计，并证明了使用更多CPU核数能够显著减少计算时间，为复杂装备的轻量化设计提供了高效方案。

　　引用格式:宗子凯, 肖蜜, 周冕, 沙伟, 高亮. 考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 41-52.

　　自支撑结构等几何拓扑优化方法：提出了一种基于等几何分析的变密度法，应用于金属增材制造，旨在通过过滤不满足打印要求的单元，实现结构的自支撑，从而保证结构的可制造性；

　　局部过热约束与热变形控制：为解决增材制造中的局部过热问题，方法引入稳态热过程模拟模型，对结构的局部过热程度进行评估并在拓扑优化阶段进行约束，从而有效减少热变形，提升制造精度；

　　优化效果验证：数值算例和仿真结果显示，该方法相比传统拓扑优化，不仅满足自支撑特性，还能有效缓解局部过热现象，确保结构的热稳定性和尺寸精度，更适合增材制造应用。

　　引用格式:周意葱, 林起崟, 王晨, 邵衡, 洪军. 装配体结构与装配界面材料刚度协同优化方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 53-61.

　　装配体结构与材料刚度协同优化：提出了一种新颖的优化思路，通过顺序优化策略，先进行结构拓扑优化以提高材料利用率，再通过材料刚度优化实现接触界面的均匀应力分布，从而有效简化考虑接触非线性的处理过程；

　　Von Mises应力驱动的优化模型：建立了针对接触问题的结构拓扑与材料刚度协同优化模型，基于Von Mises应力的优化方法可以避免复杂的敏感度分析，简化了优化流程并提高了计算效率;

　　应用验证与结构设计：以弹性-刚性和弹性-弹性装配结构为案例，验证了该方法在实际装配结构设计中的可行性与有效性，展示了其在优化材料利用率和应力分布方面的优越性能。

　　引用格式:徐文琳, 彭羽, 何智成, 姜潮. 复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 62-73.

　　分区运动学拓扑构型设计：提出了一种基于SBM模型的机构分区运动学拓扑构型设计方法，利用刚性块的运动和弹簧刚度的二值化判定，实现复杂路径规划中的机构设计。该方法通过划分刚性块组和分区，解决了传统拓扑优化中的构型不清晰和路径精度低的问题；

　　邻接矩阵与图论方法：该方法引入邻接矩阵图论进行刚性块组的划分和机构分区，从而优化了大梯度变化的复杂路径规划过程，提升了设计结果的清晰度和路径精度；

　　提升计算效率与路径适应性：通过实际算例验证，证明了该方法在复杂路径规划中的有效性，显著提高了计算效率，解决了传统SBM模型迭代收敛速度低和复杂路径合成能力不足的问题。

　　引用格式:时光辉, 武文华, 陶然, 罗俊荣, 林晔, 李强, 林晓虎, 孙齐东. 增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 74-84.

　　增材制造在飞行器结构中的应用前景：文章以飞行器承载结构为对象，分析了不同部位的材料体系和增材制造的应用前景，探讨其在轻量化性能提升、复杂构件制备、快速原型机研制等方面的潜力，为未来飞行器结构的制造提供了技术路径；

　　增材制造与飞行器结构的结合：总结了现有增材制造技术与飞行器结构研制结合的现状，特别是在小批量柔性生产和复杂构件制造中的优势。增材制造技术有助于提升承载效率BG皇冠体育，实现飞行器结构的一体化、智能化和轻量化发展需求；

　　工程需求与增材制造技术推广：通过具体的工程需求，阐述了飞行器结构在新材料、优化设计、制备和成本控制等方面对增材制造的需求，提供了在飞行器承载结构和非承载功能结构上的推广应用支撑与参考。

　　引用格式:刘军江, 乔百杰, 王亚南, 何卫峰, 陈雪峰. 基于空间-频域联合稀疏的复合材料结构冲击载荷识别[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 85-94.

　　冲击载荷识别问题的稀疏正则化新方法：针对冲击载荷识别反问题的不适定性，文章提出了基于稀疏正则化的新方法，建立了具有空间-频域联合稀疏先验的冲击载荷识别数学模型，并采用改进的正交匹配追踪算法对其进行求解；

　　少测点条件下的冲击载荷重构：该方法在少测点欠定条件下，可实现对复合材料结构的冲击载荷定位与重构，允许稀疏的传感器布局。数值仿线个载荷作用点，表现出高精度的冲击定位和载荷重构能力；

　　与传统方法的对比优势：该方法相比于经典的Tikhonov正则化和L1标准稀疏正则化方法，在载荷重构精度和抗噪性能上表现更优，提供了更为精确且鲁棒的冲击载荷识别方案。

　　JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建BG皇冠体育，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

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