LiDAR（Laser Imaging，Detection，and Ranging，激光雷达）与双目相机的多模态数据融合是3D重建领域的一个重要研究方向，两种传感器各有优缺点，通过多模态数据融合可以实现互补，获得更好的重建效果。为了实现数据融合，首先需要将两种数据统一到同一个坐标系下，LiDAR与相机之间外参的高精度标定结果对后续的3D重建十分重要。在LiDAR与相机的外参标定过程中，受LiDAR点云的稀疏性与其定位误差的影响，提取精确的特征点并构建正确的点对应关系是一个挑战性的问题。此外，LiDAR在球坐标系下完成测量工作，而大多数标定方法忽略这一特性，直接使用笛卡尔坐标测量结果进行标定，引入了沿坐标轴各向异性分布的误差，导致标定精度下降。针对该问题，有研究者提出了各向异性权重方法，但仍存在一些缺陷。文中提出了一种最小化LiDAR球坐标误差的LiDAR与双目相机标定方法。首先，提出了一种使用形心特征点的新的标定板，改善特征点的提取精度；其次，将各向异性的LiDAR笛卡尔坐标误差转换为各向同性的球坐标误差，直接最小化球坐标误差求解外参。实验研究表明，本文提出的各向同性误差法相比各向异性权重方法保证求解结果为全局最优，且在牺牲部分精度的前提下所需标定样本数大幅减少，在最优标定误差为2.75 mm的情况下牺牲3.6%的精度能够减少约54.5%的数据量。

微机电系统（MEMS）又称微系统或微电子机械系统，是在微电子技术基础上发展起来的一种高科技微型器件或系统。MEMS集光刻、腐蚀、LIGA、硅和非硅表面微加工、精密机械加工等技术于一体，其尺寸在微米量级。利用微加工技术生产的微传感器以结构简单、灵敏度高和工作稳定等特点而广泛应用于工程实际中。微传感器通常采用静电激励与电容检测方法检测信号，即利用谐振梁振动时的位移变化导致电极之间的距离变化，从而使电极之间的电容值产生变化，检测到的电容变化频率即为谐振梁振动的频率。为解决微传感器电容检测信号微弱、检测精度较低的问题，提出了一种十字型微谐振梁。为研究微谐振梁的多场耦合效应，在考虑范德华力、电场力的情况下建立了谐振子的多场耦合非线性动力学方程。采用林滋泰德-庞加莱法求解获得其非线性振动的动态位移，分析了多物理场参数对于谐振子振动位移平均值以及电容变化量的影响规律。运用微纳加工手段制作出十字型微谐振梁，采用静电激励-电容检测方法进行了谐振频率和振动位移导致的电容变化量测试。结果表明：十字型谐振梁增大了极板面积，电容变化量增加，其信号强度更强。当面积增大75%时，电容变化量为原来的4.2倍，信号强度增强5.0倍，因此更加便于电容检测。

威布尔分布因其数学处理的便利性和适应性而被广泛用于描述产品寿命，引入了位置参数的三参数威布尔分布是研究机械零部件可靠性最适合的模型之一，尤其适用于长寿命、高可靠性的产品。三参数威布尔分布的参数估计一直是关注的焦点，本文中提出了一种基于最小二乘的迭代方法对其进行参数估计，将初始位置参数设置为0，使用最小二乘法得到初始形状参数和尺度参数，将其代入位置参数的无偏估计得到新的位置参数，进行多次迭代，在此过程中形状参数和尺度参数逐渐变小，位置参数逐渐变大，最终获得稳定的形状参数、尺度参数和位置参数，即为最终的参数估计值，并计算可靠度为99%的寿命。通过蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真证明此方法是收敛的，并在不同的威布尔模型、不同中小样本量（样本量为10、15、20、25和30）下，使用偏差（Bias）和均方差根（RMSE）两个指标与相关系数法进行对比，此方法估计的3个参数及可靠度为99%的寿命更加准确。通过两个实例分析，表明该方法具有可行性和有效性，估计结果与相关系数法相比更加保守，更适于工程应用。

随着现代技术的发展，在汽车和航空航天等领域都在追求材料的轻量化，而材料的高强度高韧性是轻量化的基础。7000系铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系铝合金）具有高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性能等优点，其中7055铝合金是所有铝合金中强度最高的。喷射成形工艺是7055铝合金常用的制备方法。铝合金锭坯在沉积过程中的稳定生长是喷射成形工艺制备形貌一致、沉积质量均匀的大规格锭坯的基础。受喷射成形过程中众多工艺参数变化的影响，现有的理论模型难以满足实际生产过程中质量控制要求。文中通过所采集的喷射成形过程工艺历史数据与锭坯沉积表面直径的相关性分析，结合BP神经网络与遗传算法，构建锭坯直径的GA-BP神经网络预测模型及生长速度调控模型；根据工艺参数的实时波动，计算直径变化量，作为输入层导入经过训练的速度调节神经网络模型，对沉积基底的升降速度进行优化调控，使得锭坯沉积生长形貌均匀稳定。最后采用该方法对锭坯沉积生长速度调控工艺进行实验分析。结果表明，通过该工艺参数优化方法制备的大规格锭坯直径尺寸偏差在5%以内，验证了生长速度调节的可行性。

表面层微观组织结构变化决定了零件的宏观性能，准确实现零件加工表层微观组织演变预测，进而提高零件加工表层力学性能（如硬度），是改善零件服役效能以及实现零件长服役寿命可控加工的一种有效方法。切削加工是钛合金TC4零件制造工艺中最基本的加工方法之一，切削过程中材料的剧烈塑性变形导致TC4加工表层微观组织变化复杂，本文针对TC4切削过程中的晶粒细化现象，对不同切削速度（100 ~ 500 m/min）下TC4组织结构多尺度分布特征、晶粒细化演变规律及其对表面材料硬度影响进行了研究。结果表明：TC4加工表层介观尺度（10^-6 ~ 10^-5 m）晶粒细化程度随切削速度提高呈现先增大后减小趋势，切削速度为300 m/min时，加工表面晶粒细化程度达69.7%，切屑剪切带晶粒尺寸细化至2 ~ 6 μm；微观尺度（10^-8 ~ 10^-7 m）上表现为复杂位错组态和纳米孪晶，纳米孪晶类型主要为｛10\bar{\mathrm{1}}1｝压缩孪晶，且纳米孪晶在较高切削速度（> 200 m/min）下产生；基于修正的Z-H晶粒细化模型和纳米孪晶体积分数预测模型，并考虑切削过程中晶粒细化引起的硬化作用，实现了TC4切削过程中晶粒尺寸以及硬化规律预测；构建了切削过程中晶粒细化引起的硬化规律与材料显微硬度的关系，通过模拟钛合金切削过程中晶粒细化程度和纳米孪晶形成，实现了TC4加工表层硬度预测，揭示了TC4加工表层微观尺度硬化机理。

在低温差斯特林发动机的功率预测和参数优化分析中，传统的分析方法并不实用。为了快速准确地预估低温差斯特林发动机的输出功率，文中研究二阶Simple模型在低温差斯特林发动机的热力学循环分析中的应用。描述了低温差斯特林发动机的简化结构模型与内部工质的温度特性，基于Simple模型推导低温差斯特林发动机中非理想换热器的实际换热方程式，分析发动机的回热损失、泵送损失和换热器实际换热量。通过实例计算说明低温差斯特林发动机系统内部工质的温度、压力和能量随曲柄转角的变化，分析低温差斯特林发动机的理论输出功率。将低温差斯特林发动机在不同加热温度下的实际输出功率与Simple模型的计算功率对比，对比结果显示，Simple模型计算的输出功率与实际输出功率之间的误差较小，表明Simple模型与低温差斯特林发动机的实际循环吻合较好。为了研究低温差斯特林发动机中回热器对发动机性能的影响，文中优化了低温差斯特林发动机的回热器结构，将回热器优化后的实际输出功率和Simple模型计算功率，与回热器优化前的实际输出功率和Simple模型计算功率对比。对比结果显示，优化回热器后的低温差斯特林发动机的实际输出功率与Simple模型计算功率均提高20%，表明优化回热器结构是提高低温差斯特林发动机性能的切实有效的方法。

基于横风作用下高速列车流场的非定常特性，建立了横风-列车-桥隧模型进行仿真计算，并通过1∶8列车动模型试验验证数值方法的准确性。随后研究横风条件下列车突出隧道时，隧道内外瞬态气动压力、气动荷载变化及流场特性，揭示了横风-列车-隧道之间的相互作用机理。研究结果表明：随着横风风速的增大，压力逐渐减小，但压力随时间的变化规律相似；横风对隧道出口处及隧道外监测点处的压力梯度有明显的影响，对于隧道内的监测点几乎没有影响；随着横风风速增大，隧道外背风侧正压峰值随风速增大略有减小，迎风侧正压峰值基本保持不变，背风侧负压峰值减小速率大于迎风侧；横风对列车突出隧道运行过程的压力波动影响有限，在横风风速为20 m/s时，隧道外界流场影响隧道内气动压力的范围不超过20 m。同种横风条件下，迎风侧、背风侧监测点处压力时程变化规律不相同，压力梯度峰值出现的位置也不同，且位于列车同侧越靠近地面的监测点处压力峰值及压力梯度峰值绝对值越大；横风下，气流经过车-桥系统时，在桥底部、列车背风侧顶部及底部发生明显的流动分离现象，导致隧道外车体两侧的压差大于隧道内车体两侧压差。

渗流是引起土石混合填料中细颗粒流失，致使土体结构变化引起路基变形及失稳的关键因素。采用自行研发的颗粒流失试验装置，对不同级配的土石混合填料进行渗流试验，监测渗流作用下填料的透水质量、细颗粒流失量和沉降量的变化过程，分析土体结构演变过程；采用PFC^3D （Particle Flow Code in 3D）对细颗粒流失过程进行数值模拟，分析填料孔隙和粒径动态变化特性。研究结果表明：透水质量和细颗粒流失率可以反映土石混合填料结构对水分的敏感程度。填料骨架结构对水分的敏感程度越低，可及时有效地排出水分，渗流对结构的破坏越小。渗流条件下土石混合填料的结构演化过程可分为细颗粒快速流失、骨架重塑和相对稳定3个阶段，其中骨架重塑阶段是引起其结构演化的关键阶段。细颗粒快速流失阶段，每小时透水量增长速率较快，细颗粒大量流失，沉降量很小；骨架重塑阶段，每小时透水量变化速率减缓，细颗粒流失量减少，但骨架结构重组导致颗粒产生明显的相对位移，沉降量增长较快；相对稳定阶段，每小时透水量变化缓慢，沉降量基本保持不变。颗粒流失数值模拟的过程表明细颗粒组分的迁移引起填料孔隙率产生变化，致使土体结构发生改变。上述结果表明，在所研究的几种填料中，n=0.55级配下土石混合填料的骨架结构最稳定，对水分的敏感性最弱。

对于单一开孔板连接件或剪力钉连接件力学特性的研究，各国学者已进行了大量数值分析与试验的探索，得出了单一开孔板连接件或剪力钉连接件的力学行为。但实际混合桥塔的钢-混结合段内部是由大量开孔板连接件和剪力钉连接件形成的群钉组合连接件构成的。当前对于钢-混结构内组合连接件的研究比较匮乏，还没有明确的数值模型及理论推导用于组合连接件传力规律的研究。且组合连接件本身的设计参数对抗压性能的影响也还需要进一步的明确。因此，以顺德大桥的桥塔钢混结合段内的一种组合剪力连接件为实例，研究此抗剪连接件在弹性加载阶段，其内部的开孔板连接件和剪力钉连接件分别对该单层组合剪力连接件抗压刚度的贡献；建立弹簧模型，推出此单层组合剪力连接件弹性刚度的计算公式；利用ABAQUS有限元软件对单层组合剪力连接件进行加载仿真模拟分析，在弹性加载阶段其荷载-位移曲线呈极强的线性关系，拟合后与所推导公式的弹性刚度计算结果进行比对。结果表明：单孔开孔板连接件抗压刚度解析解与数值解的误差为4.87％，单根剪力钉连接件的抗压刚度解析解与数值解的误差为0.903％，单层组合剪力连接件的抗压刚度解析解与数值解的误差为11.54％，所推导弹性刚度公式的计算结果与有限元模拟分析结果吻合性较好。

为了高效地进行道路设施信息采集与数字化建模，利用车载激光点云数据构建了一种自动化提取道路几何信息的方法框架。针对激光数据的无序性和冗余性，通过网格降采样和半径滤波精简点云规模、去除噪音点；通过栅格单元划分进行点云组织和索引，合理利用点云的空间局部性、缩减运算规模；利用道路要素在高程上的层次性与路面结构的连续性、光滑性，设计了高程滤波、基于主成分分析框架的局部法向量滤波、DBSCAN聚类等方法，实现从原始点云到路面点云的精确分割；利用采集车辆的行驶轨迹信息获取道路走向，利用其方向向量与法向量进行道路横截面的划分；切取横截面后投影至二维平面，并通过滑动窗口、最小二乘等算法提取道路宽度与平纵横参数。通过提取算法与人工测量的结果对比，在复杂街区和郊区公路两个实验数据集，点云分割准确性均超过87%，完整性均超过97%，提取质量均超过86%，几何信息的平均相对误差较小，说明算法具有良好的提取质量。有限算力条件下，两个数据集中点云处理时间分别是6.864与10.078 s/km，几何信息提取时间分别是1.732和0.843 s/km。提出的方法能够很好的兼顾提取效率与精度，在复杂街区和郊区公路环境下具有良好的适用性，可为道路设施的健康评定和三维重建提供参考。

共享单车流率的大小体现了城市空间环境内车辆盈缺的程度，理解其变化及其诱因对于城市单车的调度具有重要意义。由于出行目的和外界环境因素的复杂多变，共享单车流率和建成环境特征之间的关系很难通过具有线性假设的统计学模型来解析。基于此，本研究利用上海市中心城区的共享单车数据，基于极端梯度提升树模型（XGBoost）和机器学习的解释性方法部分依赖图（PDP）来探究建成环境对共享单车流率的贡献度和非线性影响，以及流率的非线性模式在工作日和周末的变化。结果显示，特征重要度和非线性机制在两个时段差异化显著。居住人口密度、教育设施密度和住宅设施密度对工作日单车流率的解释度较高，分别为19.18%、13.16%和12.92%，并且具有明显的阈值效应。其中居住人口密度和教育设施密度对于单车净流出率具有正向影响，分别在11 600 人/km²和8个/km²达到最大；住宅设施密度对单车净流出率具有负向影响，对应的阈值为40 个/km²。各变量对周末单车流率的解释度差异较小，但非线性关系仍不可忽视。具体来说，到市中心的距离和公交线数密度对周末单车净流入率正向影响显著，有效范围为18~23 km和28~52 条/km²；容积率对周末单车净流出率正向影响范围在0.89~1.41。上述发现表明XGBoost模型可以有效弥补传统回归模型（MLR）线性假设的偏见，建成环境特征贡献度和影响范围的揭示也为管理部门针对具有不同建成环境水平地区的单车调度提供决策建议。

“十四五”时期，我国已进入城镇化发展新阶段，培育现代化都市圈是推动城市群发展的重要手段。区域交通网络中的快速交通系统如高速公路和高速铁路是都市圈形成和发展的先导条件，其引发的区域非均质时空收敛效应，深刻地影响都市圈的发展空间格局，因此都市圈空间组织关系与不同交通网络层级的交互性关系亟需审视。为探究都市圈不同圈层因人口聚集与经济发展具有错位性而引起的高速公路网和铁路网密度空间差异性发展规律，本文以长三角城市群5个都市圈为例，选取区县为空间单元，基于多源数据构建城市关联强度模型，运用多维标度分析和空间距离要素识别都市圈的不同圈层边界，包括核心圈、紧密圈和规划范围边界。通过不同空间圈层的人口密度、人均产出、地均产出、高速公路网密度和铁路网密度5个主要指标挖掘社会经济发展与交通网络密度的关联规律。结果显示：都市圈各圈层存在人口聚集、经济发展不平衡的态势，“人口密度-地均产出”和“地均产出-人均产出”发展曲线分别为“S型”和“对数型”；人口密度、地均产出与高速公路网密度呈现“对数型”曲线发展规律，现状铁路网密度曲线发展规律与高速公路有较大差异；在人口密度、地均产出大于600人/km2、8 000万元/km2时出现核心圈铁路网密度不足的状况。本研究为都市圈一体化交通网络规划研究提供新角度。

研究随机堆积的几何结构和特征对于理解颗粒物质、泡沫、胶体等无序体系的宏观物理性质有重要意义。结合实验与计算机模拟，人们对不同形状、不同维度的颗粒形成的随机堆积进行了探究。理论方面，人们提出了一些基于统计几何、平均场近似或随机过程的模型分析处理随机堆积的体积分数、平均配位数等问题。不过由于堆积结构的约束条件复杂、无序的程度难以严格定义等原因，即使是单分散圆盘堆积也很难进行严格地分析和计算。对于随机密堆积的体积分数，不同的研究中给出了不同的结果。本文提出Voronoi统计模型对单分散圆盘堆积的几何特征进行理论研究。采用Voronoi网描述堆积的几何构形，导出一般情况下二维Voronoi网的面积公式，利用排斥圆和定向Voronoi圆给出了几个确定刚性圆盘间Voronoi近邻关系的定理。然后讨论平衡稳定堆积，利用接触关系对Voronoi元胞的影响，导出对称Voronoi元胞的体积分数与接触数的关系、Voronoi元胞面积及几何配位数关于接触线夹角的公式。最后，利用Voronoi网的统计分析导出平均几何配位数、平均约化自由体积关于接触线夹角概率分布的积分公式。具体的理论计算结果表明，Voronoi元胞的体积分数随其对称程度的升高而增大，随着接触数的增多也在增大；随机密堆积的平均接触数是4，平均体积分数是π²/12；这些结果可用于理解无摩擦圆盘体系形成的堆积结构和特征。

液滴的凝结与蒸发是一种相变过程，它既是一种高效的传热传质过程，又与环境气候变化密切相关。实验表明，静电场对液滴的形成过程有重要的影响，是一种有效的强化传热传质方式，也与雷电雨的形成有关。本文基于相平衡理论，利用电场作用下的热力学方程导出了静电场作用下球形介电液滴内外的压强差、蒸气压以及液滴平衡半径的数学表达式。采用数值计算的方法，利用该数学表达式对液滴的形成过程进行了分析。结果表明，与没有电场作用相比，静电场作用下介电液滴内外的压强差、蒸气压以及平衡半径都有增加。蒸气压和平衡半径增加将加速液滴的蒸发过程，因此静电场作用能够促使液滴的快速蒸发。该结论与实验相符，可为相关的理论研究及工程应用提供参考。

光学成像制导技术是精确制导武器研究的重要课题，气动光学效应的存在对制导精度产生严重的影响，使飞行器偏离目标位置，甚至脱靶。飞行器和来流之间的相互作用导致其周围流场结构非常复杂，激波、膨胀波以及湍流边界层的存在，使得流场的折射率在空间上分布不均匀，在时间上存在高频脉动。其中，边界层转捩过程引起的气动光学畸变是亟待解决的最大难题。边界层转捩过程是边界层由层流向湍流发展的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性、复杂的流动现象，并且一直是湍流研究领域的热点问题。超声速边界层的转捩区具有非常强的非定常性、随机性，且脉动频率高，因此折射率分布极为复杂，光线透过后不仅会发生偏折，还会导致成像模糊和能量分散，严重影响成像制导的精度，通过光学校正的方法很难降低这种影响。本文试图通过延迟边界层转捩，来降低甚至消除超声速边界层转捩对光学传输性能的影响。以超声速旋成体飞行器光学窗口周围的边界层流场为研究对象，本文采用添加扰动片的流动控制方法对边界层气动光学效应变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明：随着攻角的增大，光程差分布由沿着对称面对称分布逐渐过渡为沿流向的变化，且逐渐平缓；施加了扰动片控制后，原本处于光学窗口上方的边界层转捩位置后移，窗口上方流场由转捩区逐渐变为层流区，抑制气动光学效应的效果显著。