氧化淀粉凝胶材料因其具有亲水性和电荷性、易反应与组装等优势，成为近年来食品及生物医药等领域研究和应用的热点材料，但其作为热挤压3D打印凝胶材料时却存在打印成型性较差及凝胶强度较低等缺陷。本研究提出利用壳聚糖与氧化淀粉分子间的非共价及化学交联作用对其进行调控，探究不同壳聚糖添加量对氧化淀粉凝胶材料的流变性能、打印成型性和凝胶强度的影响。结果表明：壳聚糖与氧化淀粉糊特性依然呈现典型的剪切稀化特征，随着壳聚糖添加量增加（0.5%~2%），氧化淀粉-壳聚糖凝胶体系中存在氢键及静电吸引等非共价相互作用导致黏度增大，触变性先提升后下降，流动应力（τ_f）先减小后增大、屈服应力（τ_y）先增大后减小。相比于氧化淀粉凝胶，氧化淀粉-壳聚糖凝胶均具有良好的打印成型性，尤其是当壳聚糖添加量为1%时，复合凝胶触变性最好，流动应力（τ_f）最小、屈服应力（τ_y）最大，因此打印成型性与打印精度最佳。此外，由于壳聚糖与氧化淀粉的非共价相互作用以及希夫碱化学交联作用，使得氧化淀粉凝胶网络结构更加致密，稳定性提升，凝胶强度显著增大，且随壳聚糖添加量增加变化趋势愈加明显。本研究结果可为氧化淀粉凝胶材料的性能改善及适合热挤压3D打印加工需求的氧化淀粉-壳聚糖凝胶材料设计与应用提供理论依据和技术支撑。

TC4凭借比强度高、耐腐蚀性好、质量轻等一系列优点，被广泛应用于航空航天领域，但其摩擦系数大、耐磨性差等缺点极大地限制了其应用范围，针对TC4硬度低、耐磨性差等缺点，采用4 kW大功率Laser4000半导体激光器，选用过渡族难熔碳化物HfC、TaC和ZrC作为增强相，以H13钢基粉末作为基粉，利用激光熔覆技术在TC4表面制备了不同比例的钢基金属 — 陶瓷硬质涂层。之后利用扫描电镜（SEM）、EDS能谱仪、D/max-2500/PC型X射线衍射仪（XDR）等试验手段对不同比例涂层的宏观形貌、显微组织、物相组成和涂层元素分布等进行对比分析，利用Qness型号维氏显微硬度计测试涂层硬度并分析熔覆试样截面微观硬度变化规律，利用MMU-5G型端面摩擦磨损试验机研究了不同材料组分涂层的摩擦磨损性能，研究结果表明：试件熔覆层与基材形成了良好的冶金结合，熔覆层组织形态主要以枝晶组织以及块状组织为主，各熔覆层的主要物相中均含有TiC，随着三元陶瓷粉末含量的增加，MC的含量也随之增加，当碳化物混合粉末添加量为15%（质量分数）时，熔覆层中检测到Hf_0.8Ta_0.2Fe₂三元合金相。当三元陶瓷粉添含量为10%（质量分数）时，熔覆层晶粒最为细小，涂层平均硬度最高，平均硬度约为763.43 HV，是基材硬度的2.29倍，当三元陶瓷粉末含量为5%（质量分数）时涂层的耐磨性最好，相对耐磨性为25%。

为减少3D打印混凝土中天然骨料及胶凝材料的用量，本文采用再生混凝土细骨料替代部分天然细骨料，砖粉替代部分水泥，首先开展单掺再生细骨料（取代率为0、25%、50%、75%和100%）、单掺砖粉（取代率为0、5%、10%、15%、20%和30%）和两者双掺的现浇混凝土的流动性和抗压强度试验，以获得再生细骨料和砖粉的适宜取代率；然后探究50%再生细骨料和10%砖粉双掺及配合比调整方式（附加水、提高减水剂用量）对3D打印混凝土拌合物性能及硬化后力学性能的影响。试验结果表明，当再生细骨料的掺量不超过50%时，现浇混凝土抗压强度降低幅度在10%以内；随着砖粉掺量从0增加到30%，现浇混凝土抗压强度总体呈现先增后减、再稍有增加的趋势，当砖粉掺量为10%时，混凝土抗压强度最高；相比于单掺50%再生细骨料的混凝土，50%再生细骨料和10%砖粉双掺时混凝土强度有所增加，而流动性基本不变。对于3D打印混凝土，同时掺入50%再生细骨料和10%砖粉，并采用添加附加水的方式保持3D打印混凝土初始扩展度不变，会使得混凝土的可建造性提高，但坍落度、开放时间、抗压和劈裂抗拉强度降低，强度各向异性加剧；而提高减水剂用量不仅能显著提升3D打印混凝土的流动性能、开放时间和抗压强度，还能降低打印试件的强度各向异性。

在混凝土高碱环境中，为了提高混凝土中钢筋抗氯离子侵蚀能力，采用新型环保型有机阻锈剂——β-甘油磷酸钠保护钢筋，达到延长钢筋混凝土结构整体寿命的目的。本文通过采用电化学方法对该种有机阻锈剂作用下，不同阳离子类型的模拟孔溶液中钢筋性能演变过程进行实时监测，并获取相应的关键参数，探究了钝化时期β-甘油磷酸钠与钢筋钝化膜，以及维钝时期，β-甘油磷酸钠、钢筋钝化膜与氯离子之间的作用关系，揭示了该种有机物的阻锈机制。通过OCP、LPR以及EIS电化学测试方法得到的结果表明：β-甘油磷酸钠与钝化膜中Fe氧化物/氢氧化物通过物理化学作用进行结合，使得钢筋表面形成阻锈能力更强的保护膜，从而提高了钢筋抗氯离子侵蚀能力。4种模拟孔溶液中钢筋抗氯离子侵蚀能力分别为NaOH+0.1 mol/L β-甘油磷酸钠>饱和澄清Ca（OH）₂>NaOH>饱和澄清Ca（OH）₂+0.1 mol/L β-甘油磷酸钠；其中，NaOH，NaOH+0.1 mol/L β-甘油磷酸钠与饱和澄清Ca（OH）₂溶液中钢筋相应的临界氯离子浓度（c_crit）分别为0.02、0.07、0.04 mol/L，而饱和澄清Ca（OH）₂+0.1 mol/L β-甘油磷酸钠中钢筋未生成有效钝化膜。除此之外，β-甘油磷酸钠加入以Na⁺为主的模拟孔溶液中，将促进钢筋表面形成更致密的钝化膜，钝化膜形成速率更快，即在72 h就可形成80%以上钝化膜，阻锈效率则高达99.80%；进一步对比分析Na⁺与Ca²⁺溶液自身对钢筋抗氯离子侵蚀能力的影响可知，Ca²⁺溶液更有利于抵抗氯离子侵蚀能力，阻锈效率达到90%以上。

温拌沥青技术可降低沥青混合料生产和施工温度，在节能减碳方面极具应用潜力。泡沫温拌沥青技术成本较低，虽存在改性沥青发泡效果不理想、温拌效果不显著等问题，但具有潜在的推广应用前景。表面活性剂兼具“沥青润滑剂”和“泡沫稳定剂”的作用效能，为改善泡沫温拌沥青发泡特性和温拌效果提供了可能。基于此，本研究采用不同质量分数的表面活性剂水溶液，在不同发泡温度下制备了表面活性泡沫沥青（SAFB6，SAFB8，SAFB10），利用发泡试验、动态剪切流变试验以及弯曲梁流变试验测试了沥青的发泡特性、高温性能、抗疲劳性能和低温性能，并借助傅里叶红外光谱试验分析了作用机理，揭示了表面活性剂与发泡过程对泡沫温拌沥青性能的协同提升作用。试验结果表明：表面活性剂对SBS改性沥青的发泡特性有明显的协同作用，特别是半衰期，最大可达69 s；SAFB沥青最佳发泡条件为发泡温度170 ℃，表面活性剂含量8%；SAFB沥青制备过程中没有发生复杂的化学反应，但是发泡过程导致SBS改性沥青发生了一定程度的氧化作用；表面活性剂和发泡工艺的协同效应提高了SBS改性沥青的高温性能和抗疲劳性能，而低温抗裂性能与SBS改性沥青相当。总体而言，表面活性剂与发泡技术相结合是可行的，提高了SBS改性沥青的发泡效果和路用性能。

电池包作为电动汽车的核心部件之一，对电动汽车的整车性能有着关键性的影响。而在电动汽车的运行过程中，电池包会不断受到来自路面的持续性冲击力，造成电池包的疲劳损坏，对驾驶员和乘客的安全以及整车性能造成一定的影响。本文以电动汽车电池包为研究对象，建立了电池包随机振动试验方法与疲劳寿命的计算方法。先对振动台、工装夹具和电池包进行扫频分析，得到振动台台面、夹具空载端板、电池包与工装夹具连接端板处的加速度传感器的测量数值与输入扫频加速度值保持一致，验证振动信号的有效传递，确保输入的振动信号能够准确传递至电池包，然后开展电池包随机振动试验。并对电池包进行了电芯性能检测、气密性检查、绝缘电阻检查和共振频率检查，得出电池包的损伤部位。研究了电池包疲劳损伤计算方法，对电池箱、电池模组和电池包内各连接方式进行了精细化建模。基于精细化模型，进行了电池包频响特性的计算。基于计算得到的频响特性和实车路谱采集试验得到电池包随机振动载荷谱曲线，采用Goodman疲劳寿命估算方法和Miner线性累积损伤法则，并结合电池包材料S-N曲线，对电池包进行了随机振动疲劳损伤分析。试验得到的电池包结构损伤部位与分析得到的失效部位具有较好的一致性，证实了本文提出的疲劳损伤计算方法的准确性。

为早日实现“双碳”目标，轻量化制造是必经之路。铝合金以其低密度、高比强度和可回收利用等优点脱颖而出，并且具备高塑形、优良耐腐蚀能力从而可以广泛应用于各行各业，但因为其特殊的热物理性质及复杂的合金化学成分，使其焊接过程中极易出现气孔、热裂纹等焊接缺陷，其焊接难题限制了铝合金在轻量化之路的进一步发展。激光 — 电弧复合焊接技术结合激光焊接技术与电弧焊接技术的优势，以其大焊接熔深、高焊接效率、高焊接质量著称，并逐渐成为铝合金高效优质焊接的重要熔焊工艺。为掌握铝合金激光 — 电弧复合焊的研究现状，本文首次通过文献计量学的方法定量分析了Web of Science（WoS）数据库中1995—2021年已发表的该领域的学术论文，并通过使用VOSviewer软件对WoS数据库数据进行了可视化处理。结果表明，焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能及激光与电弧的相互作用为研究热点，因此本文从上述领域对铝合金的激光-电弧复合焊接进行了总结与分析，并结合激光-电弧复合焊接过程中的在线监测技术与新型激光在复合焊中的应用展开讨论分析，得出激光-电弧复合焊接铝合金中接头类型的选取，微观组织的分布，力学性能的提升措施及复合热源的相互作用机制。旨在为后续研究激光-电弧复合焊接铝合金提供参考。最后，基于当下的研究现状，本文提出了该领域面临的挑战及未来工作展望。

在当前机器人导航和环境感知领域，室外大尺度场景下的三维激光SLAM一直是一个挑战性问题。由于GPS信号在某些环境下的不稳定性和激光SLAM的误差累积特性，传统算法在大尺度场景下表现不佳。针对室外大尺度场景下三维激光SLAM（同步定位和地图构建）存在的误差累积严重问题，本文提出了一种基于迭代卡尔曼滤波器的GPS-激光-IMU融合建图算法。该算法通过利用惯性测量单元（IMU）数据对机器人状态进行预测，同时以激光和全球定位系统（GPS）数据作为观测，更新机器人状态，推导出观测方程和雅可比矩阵，显著提高了建图的精度和鲁棒性。里程计中融合GPS数据的绝对位置信息以解决长时间运行中的误差累积问题。在特征稀疏的环境中，由于约束不足可能导致算法崩溃，GPS数据的引入可以提高系统的鲁棒性。此外，重力对于IMU数据预测机器人状态起到关键的作用。虽然重力是三维向量，但在不发生区域变化的情况下，其模长是不变的，因此被视为二自由度向量。通过将重力的优化转化为旋转矩阵群上的优化，成功避免了重力过参数化的问题，提高了算法的精度。在室外场景下与其他算法进行了性能测试对比并且验证了在大尺度场景下的鲁棒性和精度，结果表明：本文算法的均方根误差为0.089 m，与其他算法相比降低了54%。

碰撞检测技术可以降低设备损坏和人身伤害的几率，在现代化的人机协作生产中起着重要的作用。实现免外力矩传感器的碰撞检测需要准确地估计工业机器人受到碰撞时的关节外力矩。然而，动力学模型的参数辨识误差以及电机电流的测量误差等因素会影响外力矩估计的准确性。为了解决这些问题，本文设计了一种扰动卡尔曼滤波外力矩观测器。该观测器基于扰动原理将外部碰撞等效的外力矩作为扰动项，并定义关节扰动模型。同时，引入机器人的广义动量构建状态空间方程。考虑到动力学模型的参数辨识以及电机电流的测量存在误差，基于卡尔曼滤波算法进行迭代估计，从而得到最优的外力矩观测值。为了提高碰撞检测的灵敏度，本文提出了一种随关节速度变化的时变对称阈值函数，用于实现碰撞检测。该方法可以根据关节速度的变化调整阈值，以适应不同工作速度下的外力矩观测值。实验结果表明，与广义动量观测器相比，所提出的观测器在外力矩估计的整体精度上提高了52.03%。为了验证所提方法的有效性，本文利用6自由度串联关节型工业机器人进行了碰撞检测实验。实验结果显示，相比于静态阈值，采用时变阈值的方法缩短了58.06%的检测延时，从而可以提高碰撞检测的灵敏度，更有利于工业机器人的安全操作和碰撞防护。

水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界，由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性，水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性，容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象，成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中，并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域，采用水平集函数插值可以得到带宽范围内［0，1］区间连续分布的材料密度，并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势，使优化过程中材料密度变化保持连续，可以提升参数化水平集方法的稳定性，得到更优的目标函数值，并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性，计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。

信道估计是通信系统中一项关键的技术，涉及评估信号在传输过程中经历的信道特性，以便接收端能够有效地对接收到的信号进行处理和恢复。为提高视距信道遮挡通信下的通信系统质量，使用智能超表面来辅助现有通信系统。智能超表面辅助的无线通信系统中，除了基站和用户之间的视距信道外，同时包含基站到智能超表面和智能超表面到用户之间的级联信道。当前信道估计方法基本上利用传统算法进行估计，为了解决智能超表面辅助多用户系统中复杂统计分布的级联信道估计精度低和计算复杂度高的问题，文中提出了一种基于传统算法和深度学习算法相结合的信道估计算法。利用传统算法的可解释性和深度学习算法的高性能特性，在卷积网络基础上，提出了一种基于残差密集网络（RDN）的去噪方法。首先按照系统参数模拟生成真实环境的数据集，使用传统最小二乘法（LS）进行信道粗估计，并将信道看作二维含噪图像；其次采用密集块（RDB）充分提取噪声数据局部特征，并使用多路卷积和残差网络对数据进行特征融合；最后通过已训练模型对数据进行在线估计，并得到去噪信道。文中从信道的估计精度对所提算法进行验证，在Rician信道模型上进行理论公式推导和系统仿真分析。仿真结果表明，与传统算法相比，文中所提出的算法提高了信道估计精度。

由于低频段资源紧缺，未来移动通信网络将逐渐转移至更高频段，电磁波的自由空间传播损耗、绕射损耗以及穿透损耗较大，容易产生覆盖盲区以及弱覆盖区域。智能反射面（RIS）通过重新配置信号的传播环境以提高网络性能并扩大网络覆盖范围，成为解决密集城市群覆盖问题的新热点。基于有RIS参与的下一代移动通信网络密集城市群布网时的多跳通信模式，对多跳RIS传输方案与提出的一种解码转发（DF）中继辅助多跳RIS传输方案（DF-RIS）进行全面比对。首先，对两种传输方案的传输损耗、能效以及系统容量进行了理论推导及分析。其次，在密集城市群三维环境模型中进行仿真，为改善复杂环境搜索效率降低以及计算量增大的问题提出了一种改进Lazy Theta*算法，并对改进算法与常见路径搜索算法的搜索时间以及搜索路径长度进行仿真对比。使用改进算法选取相同仿真环境下两种传输方案分别所需节点，节点选取中考虑了DF中继位于多跳DF-RIS传输方案中的不同位置。最后在确定节点后对两种传输方案的传输损耗、能效以及系统容量进行仿真分析比较。仿真结果不但验证了改进Lazy Theta*算法的有效性，也说明了RIS反射元件数与两种传输方案性能之间的关系。表明两种传输方案各有其适用性，可根据对性能的实际需求选择合适的传输方案。

压缩感知理论可以被用于解决信源采集设备计算资源受限的问题，但信号重构过程存在不确定性。传统的重构算法计算复杂度高，难以在实际中应用。近期，基于深度学习的重构算法打破传统算法的局限性，以其速度快、质量高等特点受到了广泛关注。现有的深度学习重构算法可以划分为“黑盒子”以及基于优化启发网络两种类型。与“黑盒子”式的网络结构相比，基于优化启发的深度网络更容易获得高精度的恢复，同时也更具可解释性。然而现有基于优化启发的图像压缩感知重构网络在每个优化阶段仅学习单一梯度，存在测量值信息利用不足、难以准确地学习梯度等缺点，限制了重构性能的提升。为了更充分地利用测量值信息，降低梯度学习的难度，本文提出了高维空间梯度学习思想，实现更准确的梯度回归。在此基础上，本文提出了特征域近端高维梯度下降（FPHGD）算法，并设计了实现该算法的深度神经网络（FPHGD-Net）以获得高精度图像重构结果。此外，本文设计了3种不同复杂度的深度空间近端映射网络结构，以满足不同的应用条件，按空间复杂度从低到高，相应模型分别为FPHGD-Net-Tiny、FPHGD-Net、FPHGD-Net-Plus。实验结果表明，与OPINE-Net+相比，所提3种模型在Set11数据上的平均PSNR分别提升1.34、1.51和1.88 dB，并且在重构视觉效果上，能够恢复出更丰富的图像细节。

随着航天技术的革新，对近地轨道的通信需求逐年增高。近地轨道卫星就在此背景下产生，主要应用于遥感探测天气预报和数据通信领域。由于近地轨道卫星天线辐射波束所覆盖的地球表面是球面，因此波束通常设计为等通量形式。由于卫星通信通常存在极化失配、多径效应等问题，选择多极化而不是圆极化作为近地卫星天线的工作状态能更好地适应复杂的工作环境，保证通信质量，将等通量波束天线和多极化可重构技术结合起来有很大的应用前景。基于一对正交圆极化波能合成线极化波的设计原理，文中提出了一种具有等通量波束的多极化可重构天线，该天线由可重构馈电网络和带扼流环的隔片极化器圆波导组成。馈电网络中嵌入单刀四掷开关（SP4T）与单刀双掷开关（SP2T），通过改变开关的工作状态，馈电网络将给圆波导提供不同的馈电条件，在圆波导内隔片的作用下天线实现两种圆极化与两种线极化的可重构。通过在圆波导口引入扼流环以及波导口作“T”型开槽处理，实现波束赋形，并且保证天线在不同极化状态下辐射等通量波束。实测结果显示，天线在不同的极化状态下-15 dB重叠阻抗带宽14.7%，覆盖4.80~5.56 GHz，方向图顶部在\theta为-24°~+24°范围内具有平坦效果，圆极化状态下空间轴比覆盖-51°~+50°，覆盖范围大于方向图顶部平坦范围。天线实测结果与仿真结果有较好的一致性，具有多极化和方向图顶部平坦的优势，可满足移动通信和卫星通信中多极化应用场景的需要。

在矿井提升机的制动控制中，制动瞬态冲击是影响矿井提升机安全可靠运行的关键问题。由于受到技术和经济成本的制约，目前包含贴闸/压紧的制动过程全程采用力闭环控制，这不可避免地导致闸瓦与闸盘刚性接触时的制动力瞬态冲击问题。针对矿井提升机制动瞬态冲击问题，文中提出了一种基于滞回切换原理的混合贴闸/压紧制动控制策略。首先，分别利用非奇异快速终端滑模控制和反步控制设计了贴闸和压紧控制器；其次，为达到快速贴闸的目的，设计了一种基于离散积分器的在线贴闸轨迹再规划方法，有效地减小了制动器贴闸时间；然后，为实现由贴闸控制到压紧控制的安全切换，利用滞回切换原理，制定了混合贴闸/压紧控制稳态切换策略，大大减小了制动力瞬态冲击；最后，为验证提出方法的有效性，选择传统全程力闭环控制策略C1与混合贴闸/压紧直接切换策略C2作为对比方法，在单绳缠绕式提升试验台进行了对比实验，从贴闸时间、制动力最大跟踪误差和提升钢丝绳最大张力3个方面对实验结果进行了分析。实验结果表明：相较于C1控制策略，提出制动控制策略的贴闸时间缩短了64.5%，钢丝绳张力峰值减小了41 N；相较于C2控制策略，提出制动控制策略的制动力冲击减小了90.3%，钢丝绳张力峰值减小了88 N。上述结果表明本文提出的方法能有效改善制动瞬态冲击，减小制动空动时间，提高制动系统安全性，同时本研究也为一类需要混合力/位置控制的电液伺服系统提供了一种有效的解决方法。