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电子机械工程导论

作译者：段宝岩,邵晓东

出版时间：2024-09 千字数：294 版次：01-01 页数：184

开本：16开装帧： I S B N ：9787121488238

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纸质书定价：￥89.0

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目  录
第1章  绪论	1
1.1  电子机械工程发展历程	1
1.1.1  电子机械工程与电子装备	1
1.1.2  电子机械一甲子	3
1.1.3  电子装备机械结构设计存在的问题	5
1.2  电子机械工程科学与技术问题	7
1.2.1  机电耦合理论与技术	7
1.2.2  电子装备的环境（热、冲击、EMC）适应性与可靠性	8
1.2.3  电气互联与智能制造技术	8
1.2.4  特种电子装备	9
1.2.5  电子装备机电耦合设计	10
1.2.6  电子装备的测试与评价方法	11
1.3  电子机械工程发展趋势	11
第2章  机电耦合基础	14
2.1  概述	14
2.2  电磁场、结构位移场、温度场描述方程	15
2.2.1  电磁场	15
2.2.2  结构位移场	16
2.2.3  温度场	16
2.3  多物理场耦合问题数学模型建立思路	17
2.4  几种典型电子装备场耦合理论模型	19
2.4.1  反射面天线	19
2.4.2  平板裂缝天线	22
2.4.3  有源相控阵天线	23
2.4.4  高密度机箱机柜	34
2.5  非线性机械结构因素对电性能的影响	36
2.5.1  平板裂缝天线	36
2.5.2  有源相控阵天线	48
2.6  非线性机械结构因素对天线伺服系统性能影响	51
2.6.1  间隙对伺服系统性能的影响	51
2.6.2  摩擦对伺服系统性能的影响	54
2.6.3  伺服实验台的研制与实验验证	56
第3章  机电耦合设计	59
3.1  概述	59
3.2  多学科分析方法	60
3.2.1  基本分析方法	60
3.2.2  多场间信息传递的准确性与完备性	62
3.2.3  多物理场网格匹配	63
3.2.4  机电两场之间的网格转换与信息传递	65
3.2.5  机电热三场之间的网格转换与信息传递	66
3.3  基于机电耦合技术的多学科设计优化	67
3.3.1  多学科设计优化问题	67
3.3.2  多学科设计优化的基本策略	68
3.3.3  多学科设计优化模型的建立	70
3.3.4  多学科设计优化的求解策略与方法	73
3.3.5  基于统一设计向量的多物理场耦合问题优化设计	74
第4章  机电集成制造	76
4.1  概述	76
4.2  基于3S的微系统制造技术	77
4.2.1  SoC、SiP、SoP的特点	78
4.2.2  基于3S的5G天线与射频前端制造技术	80
4.2.3  SiP技术在无线功率传输发射天线中的应用	81
4.3  微波器件3D打印技术	83
4.3.1  微波器件3D打印的典型应用	84
4.3.2  基于3D打印的低温共烧陶瓷制造技术	87
4.4  电气互联技术	89
4.4.1  表面贴装技术	90
4.4.2  三维互联技术	95
第5章  机电耦合测试与评价	100
5.1  概述	100
5.2  测试技术	101
5.2.1  测试因素耦合度	101
5.2.2  典型案例机电耦合测试技术	104
5.2.3  典型案例机电耦合综合测试	112
5.3  评价方法	114
5.3.1  基于耦合理论模型和影响机理的正确性验证	114
5.3.2  基于耦合理论模型与影响机理的成效评价	118
5.3.3  典型案例机电耦合综合评价	120
第6章  电子装备综合设计软件平台	127
6.1  概述	127
6.2  机电热三场耦合分析分系统	130
6.2.1  基本思路与框架	130
6.2.2  场耦合分析交互界面	132
6.2.3  数据交换接口	132
6.2.4  综合软件分系统	133
6.3  结构因素对电性能影响机理分系统	136
6.3.1  基本思路与框架	136
6.3.2  天馈系统影响机理分系统	137
6.3.3  伺服系统影响机理分系统	137
6.4  机电耦合综合测试与评价分系统	140
6.4.1  基本思路与框架	140
6.4.2  工作流程	141
6.4.3  数据库	141
6.4.4  综合测评分系统	144
第7章  典型工程应用案例	150
7.1  概述	150
7.2  中国天眼FAST 500m球面射电望远镜天线	150
7.2.1  背景知识	150
7.2.2  应用情况	151
7.3  深空探测66m反射面天线	152
7.3.1  背景知识	152
7.3.2  应用情况	153
7.4  机载高密度机箱	153
7.4.1  背景知识	153
7.4.2  应用情况	155
第8章  挑战与展望	156
8.1  概述	156
8.2  极端频率	156
8.2.1  极高频率	156
8.2.2  极低频率	157
8.3  极端环境	157
8.3.1  空间极端环境	157
8.3.2  深海极端环境	157
8.3.3  南极极端环境	158
8.4  极端功率	158
8.4.1  微波高功率传输	158
8.4.2  高功率电子战	159
参考文献	160

从书序

电子机械工程的主要任务是进行面向电性能的高精度、高性能机电装备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主、电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，以及兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业的重大装备，主要是运用现代电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主、机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、计算机、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
从广义上讲，这两类装备都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）的概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词组合而成，体现了机械与电技术不断融合的内涵演进和发展趋势。这里的电技术包括电子、电磁和电气。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合等三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子装备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指电子装备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，如反射面天线的机械结构与电磁、有源相控阵天线的机械结构-电磁-热等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面仍是机电分离的，故传统机电分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个：一是电磁设计人员提出的对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构设计人员只能千方百计地满足其要求，带有一定的盲目性；二是工程实际中，又时常出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力设计、制造出的满足机械制造精度要求的产品，电性能却不满足；相反，机械制造精度未达到要求的产品，电性能却能满足。因此，在实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个长期存在的问题导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，这已成为制约电子装备性能提升并影响未来装备研制的瓶颈。
随着电子装备工作频段的不断提高，机电之间的互相影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越来越多，矛盾也越发突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械结构、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同空间几何的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子装备呈现出高频段、高增益、高功率、大带宽、高密度、小型化、快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，而且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统间的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。其设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有不同的特点，并且有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等将融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子装备的发展将呈现两个极端特征：一是极端频率，如对潜通信等应用的极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子装备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在相互影响、相互制约的关系，需在已有基础上，进一步探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，以及多工况、多因素的影响机理，并将其表示为定量的数学关系式。
第二，电子装备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子装备电磁性能影响明显，亟待进一步探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子装备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机械、电子、热学各自分析模型以及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。从理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合度的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化和信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业化和信息化的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上一次编写的基础上进行进一步的修改、完善、补充而成的，是从事电子机械工程领域专家们集体智慧的结晶，是长期工作成果的总结和展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要于百忙中抽时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表丛书编委会，向各分册作者与审稿专家深表谢意！
丛书的出版，得到了电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位领导的大力支持，得到了电子工业出版社及参与编辑们的积极推动，得到了丛书编委会各位同志的热情帮助，借此机会，一并表示衷心感谢！ 

中国工程院院士   段宝岩

                                      前  言
伴随着电子装备技术的发展，电子机械科学与技术取得了长足进步，其在我国高端电子装备设计与制造的发展与演进历程中，做出了重要贡献，发挥着不可替代的作用。
电子机械工程（Electromechanical Engineering）与机电一体化（Mechatronics）有着很深的渊源与联系。电子机械工程主要研究电子与信息系统中机械结构设计与制造的问题，其目的是保障电性能的实现与提高。这一保障作用，经历了被动、半主动与主动三个主要阶段。
20世纪80年代以前，属于被动阶段。电子机械工程主要研究保障电子装备正常工作的防护问题，集中在三个方面。一是防冲击、振动。研究各种被动的减振、隔振技术，因为电子装备比一般机械装备，对振动与冲击的限定更为严格，故该研究有其特殊性。二是散热技术。研究各种散热技术，基本上是被动的，多属于通风散热。三是电磁兼容（EMC）技术。因为那时的工作频段与集成度不高，电磁屏蔽问题虽然有，但矛盾不是很尖锐，所以解决办法也多是被动的。
20世纪80年代末至21世纪初，随着电子装备的发展，工作频段逐渐高起来，部件集成度趋高，服役环境恶劣，对上述三方面技术的要求变得高起来，于是，保障作用由被动向半主动方向发展。
进入21世纪，电子装备呈现出高频段、高增益，高密度、宽频带、高功率、小型化，快响应、高精度的发展趋势，对电子装备的防护技术提出了前所未有的挑战，自然对电子机械工程提出了更高的要求。这导致以前的被动、半主动的防护技术已很难奏效，迫切需要主动防护技术。与之相伴的，出现了新的理论、方法与技术，如机电耦合理论，包括多场耦合理论模型的建立、非线性机械结构因素对电性能影响机理、机电集成设计、综合设计平台等。
可以预见，随着高性能、高精度电子装备向着极高频段、极高功率、极端服役环境的方向进一步发展，机械结构在整个电子装备研制中的作用将越发重要、关键，其不仅是电子装备电性能实现的载体和保障，而且往往制约着电性能的实现与提高。与之相伴的，对电子机械工程的人才培养也提出了前所未有的新期望，要求从业人员不仅需熟知机械结构、热等知识，还必须熟知电子与电磁方面的知识，方可胜任工作。可见，电子机械工程任重而道远。
本书是作者过去多年科研工作的体会与总结。本书第1、2、7、8章由段宝岩执笔，第4章由邵晓东执笔，第3、5、6章由邵晓东与段宝岩共同执笔。
因水平所限，本书难免存在不妥甚至错误的地方，敬请指正。

作  者  
2024年1月

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