叢書序
Preface

電子機械工程的主要任務是進行面向電性能的高精度、高性能機電裝備機械結構的分析、設計與制造技術的研究。

高精度、高性能機電裝備主要包括兩大類：一類是以機械性能為主、電性能服務于機械性能的機械裝備，如大型數控機床、加工中心等加工裝備，以及兵器、化工、船舶、農業、能源、挖掘與掘進等行業的重大裝備，主要是運用現代電子信息技術來改造、武裝、提升傳統裝備的機械性能；另一類則是以電性能為主、機械性能服務于電性能的電子裝備，如雷達、計算機、天線、射電望遠鏡等，其機械結構主要用于保障特定電磁性能的實現，被廣泛應用于陸、海、空、天等各個關鍵領域，發揮著不可替代的作用。

從廣義上講，這兩類裝備都屬于機電結合的復雜裝備，是機電一體化技術重點應用的典型代表。機電一體化（Mechatronics）的概念，最早出現于20世紀70年代，其英文是將Mechanical與Electronics兩個詞組合而成，體現了機械與電技術不斷融合的內涵演進和發展趨勢。這里的電技術包括電子、電磁和電氣。

伴隨著機電一體化技術的發展，相繼出現了如機-電-液一體化、流-固-氣一體化、生物-電磁一體化等概念，雖然說法不同，但實質上基本還是機電一體化，目的都是研究不同物理系統或物理場之間的相互關系，從而提高系統或設備的整體性能。

高性能機電裝備的機電一體化設計從出現至今，經歷了機電分離、機電綜合、機電耦合等三個不同的發展階段。在高精度與高性能電子裝備的發展上，這三個階段的特征體現得尤為突出。

機電分離（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指電子裝備的機械結構設計與電磁設計分別、獨立進行，但彼此間的信息可實現在（離）線傳遞、共享，即機械結構、電磁性能的設計仍在各自領域獨立進行，但在邊界或域內可實現信息的共享與有效傳遞，如反射面天線的機械結構與電磁、有源相控陣天線的機械結構-電磁-熱等。

需要指出的是，這種信息共享在設計層面仍是機電分離的，故傳統機電分離設計固有的諸多問題依然存在，最明顯的有兩個：一是電磁設計人員提出的對機械結構設計與制造精度的要求往往太高，時常超出機械的制造加工能力，而機械結構設計人員只能千方百計地滿足其要求，帶有一定的盲目性；二是工程實際中，又時常出現奇怪的現象，即機械結構技術人員費了九牛二虎之力設計、制造出的滿足機械制造精度要求的產品，電性能卻不滿足；相反，機械制造精度未達到要求的產品，電性能卻能滿足。因此，在實際工程中，只好采用備份的辦法，最后由電調來決定選用哪一個。這兩個長期存在的問題導致電子裝備研制的性能低、周期長、成本高、結構笨重，這已成為制約電子裝備性能提升并影響未來裝備研制的瓶頸。

隨著電子裝備工作頻段的不斷提高，機電之間的互相影響越發明顯，機電分離設計遇到的問題越來越多，矛盾也越發突出。于是，機電綜合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出現了。機電綜合是機電一體化的較高層次，它比機電分離前進了一大步，主要表現在兩個方面：一是建立了同時考慮機械結構、電磁、熱等性能的綜合設計的數學模型，可在設計階段有效消除某些缺陷與不足；二是建立了一體化的有限元分析模型，如在高密度機箱機柜分析中，可共享相同空間幾何的電磁、結構、溫度的數值分析模型。

自21世紀初以來，電子裝備呈現出高頻段、高增益、高功率、大帶寬、高密度、小型化、快響應、高指向精度的發展趨勢，機電之間呈現出強耦合的特征。于是，機電一體化邁入了機電耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新階段。

機電耦合是比機電綜合更進一步的理性機電一體化，其特點主要包括兩點：一是分析中不僅可實現機械、電磁、熱的自動數值分析與仿真，而且可保證不同學科間信息傳遞的完備性、準確性與可靠性；二是從數學上導出了基于物理量耦合的多物理系統間的耦合理論模型，探明了非線性機械結構因素對電性能的影響機理。其設計是基于該耦合理論模型和影響機理的機電耦合設計。可見，機電耦合與機電綜合相比具有不同的特點，并且有了質的飛躍。

從機電分離、機電綜合到機電耦合，機電一體化技術發生了鮮明的代際演進，為高端裝備設計與制造提供了理論與關鍵技術支撐，而復雜裝備制造的未來發展，將不斷趨于多物理場、多介質、多尺度、多元素的深度融合，機械、電氣、電子、電磁、光學、熱學等將融于一體，巨系統、極端化、精密化將成為新的趨勢，以機電耦合為突破口的設計與制造技術也將迎來更大的挑戰。

隨著新一代電子技術、信息技術、材料、工藝等學科的快速發展，未來高性能電子裝備的發展將呈現兩個極端特征：一是極端頻率，如對潛通信等應用的極低頻段，天基微波輻射天線等應用的毫米波、亞毫米波乃至太赫茲頻段；二是極端環境，如南北極、深空與臨近空間、深海等。這些都對機電耦合理論與技術提出了前所未有的挑戰，亟待開展如下研究。

第一，電子裝備涉及的電磁場、結構位移場、溫度場的場耦合理論模型（Electro-Mechanical Coupling，EMC）的建立。因為它們之間存在相互影響、相互制約的關系，需在已有基礎上，進一步探明它們之間的影響與耦合機理，廓清多場、多域、多尺度、多介質的耦合機制，以及多工況、多因素的影響機理，并將其表示為定量的數學關系式。

第二，電子裝備存在的非線性機械結構因素（結構參數、制造精度）與材料參數，對電子裝備電磁性能影響明顯，亟待進一步探索這些非線性因素對電性能的影響規律，進而發現它們對電性能的影響機理（Influence Mechanism，IM）。

第三，機電耦合設計方法。需綜合分析耦合理論模型與影響機理的特點，進而提出電子裝備機電耦合設計的理論與方法，這其中將伴隨機械、電子、熱學各自分析模型以及它們之間的數值分析網格間的滑移等難點的處理。

第四，耦合度的數學表征與度量。從理論上講，任何耦合都是可度量的。為深入探索多物理系統間的耦合，有必要建立一種通用的度量耦合度的數學表征方法，進而導出可定量計算耦合度的數學表達式。

第五，應用中的深度融合。機電耦合技術不僅存在于幾乎所有的機電裝備中，而且在高端裝備制造轉型升級中扮演著十分重要的角色，是迭代發展的共性關鍵技術，在裝備制造業的發展中有諸多重大行業應用，進而貫穿于我國工業化和信息化的整個歷史進程中。隨著新科技革命與產業變革的到來，尤其是以數字化、網絡化、智能化為標志的智能制造的出現，工業化和信息化的深度融合勢在必行，而該融合在理論與技術層面上則體現為機電耦合理論的應用，由此可見其意義深遠、前景廣闊。

本叢書是在上一次編寫的基礎上進行進一步的修改、完善、補充而成的，是從事電子機械工程領域專家們集體智慧的結晶，是長期工作成果的總結和展示。專家們既要完成繁重的科研任務，又要于百忙中抽時間保質保量地完成書稿，工作十分辛苦。在此，我代表叢書編委會，向各分冊作者與審稿專家深表謝意！

叢書的出版，得到了電子機械工程分會、中國電子科技集團公司第十四研究所等單位領導的大力支持，得到了電子工業出版社及參與編輯們的積極推動，得到了叢書編委會各位同志的熱情幫助，借此機會，一并表示衷心感謝！

中國工程院院士

中國電子學會電子機械工程分會主任委員

2024年4月