高精度、高性能復(fù)雜機(jī)電裝備被廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、高新技術(shù)等重要領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)與制造水平是國(guó)家整體科技水平與實(shí)力的重要體現(xiàn)。

復(fù)雜機(jī)電裝備主要包括兩大類：

一類是以機(jī)械性能為主，電性能服務(wù)于機(jī)械性能的機(jī)電裝備，如大型數(shù)控機(jī)床、加工中心等加工裝備，以及兵器、化工、船舶、農(nóng)業(yè)、能源、挖掘與掘進(jìn)等行業(yè)重大裝備，主要是運(yùn)用電子信息技術(shù)來改造、武裝、提升傳統(tǒng)裝備的機(jī)械性能。

另一類則是以電性能為主，機(jī)械性能服務(wù)于電性能的電子裝備，如雷達(dá)、通信、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航、天線、射電望遠(yuǎn)鏡等，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要用于保障特定電磁性能的實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于陸、海、空、天等各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。

這兩大類裝備從廣義上講，均屬于機(jī)電結(jié)合的復(fù)雜裝備，是機(jī)電一體化技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用的典型代表。

機(jī)電一體化（Mechatronics）概念，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，其英文是將Mechanical與Electronics兩個(gè)詞掐頭去尾組合而成，體現(xiàn)了機(jī)械與電磁（氣）技術(shù)不斷融合的內(nèi)涵演進(jìn)和發(fā)展趨勢(shì)。

伴隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了諸如機(jī)-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(shí)質(zhì)上基本還是機(jī)電一體化，目的都是研究不同物理系統(tǒng)或物理場(chǎng)之間的相互關(guān)系，從而提高系統(tǒng)或設(shè)備的整體性能。

高性能復(fù)雜機(jī)電裝備的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)從出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了機(jī)電分離、機(jī)電綜合、機(jī)電耦合三個(gè)不同的發(fā)展階段。在高精度與高性能電子裝備的發(fā)展上，這三個(gè)階段的特征體現(xiàn)得尤為突出。

機(jī)電分離（independent between mechanical and electronic technologies，IMET），指電子裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁設(shè)計(jì)分開、獨(dú)立進(jìn)行，但彼此間的信息可實(shí)現(xiàn)在（離）線傳遞、共享，即機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁性能的設(shè)計(jì)仍在各自領(lǐng)域獨(dú)立進(jìn)行，但在邊界或域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)信息的共享與有效傳遞，例如反射面天線的結(jié)構(gòu)與電磁、有源相控陣天線的電磁-結(jié)構(gòu)-溫度等。

需要指出的是，這種信息共享在設(shè)計(jì)層面上仍是機(jī)電分離的，故傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)固有的諸多問題依然存在，最明顯的有兩點(diǎn)：

一是電磁設(shè)計(jì)人員提出的對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造精度的要求往往太高，時(shí)常超出機(jī)械的制造加工能力，而機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)人員因缺乏對(duì)電磁知識(shí)的深入了解，只能千方百計(jì)地設(shè)法去滿足，帶有一定的盲目性。

二是工程實(shí)際中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象，即機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)人員費(fèi)了九牛二虎之力制造出的產(chǎn)品，電性能又時(shí)常出現(xiàn)不滿足的情況。

相反，機(jī)械制造精度未達(dá)要求的產(chǎn)品，電性能又是滿足的。原因何在，知其然而不知其所以然。

因此，實(shí)際工程中，只好采用備份的辦法，最后由電調(diào)來決定選用哪一個(gè)。

這兩個(gè)問題的長(zhǎng)期存在，導(dǎo)致電子裝備研制的性能低、周期長(zhǎng)、成本高、結(jié)構(gòu)笨重，成為長(zhǎng)期制約電子裝備性能提升并影響下一代裝備研制推進(jìn)的一個(gè)懸而未決的制約瓶頸。

隨著電子裝備工作頻段的不斷提高，機(jī)電之間的相互影響愈發(fā)明顯，機(jī)電分離設(shè)計(jì)遇到的問題愈來愈多，矛盾也愈發(fā)突出。

于是，機(jī)電綜合（syntheses between mechanical and electronic technologies，SMET）的設(shè)計(jì)概念出現(xiàn)了。機(jī)電綜合是機(jī)電一體化的較高層次，它比機(jī)電分離前進(jìn)了一大步，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是建立了同時(shí)考慮機(jī)械、電磁、熱等性能的綜合設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，可在設(shè)計(jì)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(jī)箱機(jī)柜分析中，可共享相同幾何空間的電磁、結(jié)構(gòu)、溫度的數(shù)值分析模型。

21世紀(jì)初以來，電子裝備呈現(xiàn)出高頻段、高增益，高密度、小型化，快響應(yīng)、高指向精度的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)電之間呈現(xiàn)出強(qiáng)耦合的特征。

于是，機(jī)電一體化邁入了機(jī)電耦合的新階段。

機(jī)電耦合（coupling between mechanical and electronic technologies，CMET），是比機(jī)電綜合更進(jìn)一步的理性機(jī)電一體化，其特點(diǎn)主要包括兩點(diǎn)：

一是分析中不僅可實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電磁、熱的自動(dòng)數(shù)值分析與仿真，且可保證不同學(xué)科間信息傳遞的完備性、準(zhǔn)確性與可靠性。

二是從數(shù)學(xué)上導(dǎo)出了基于物理量耦合的多物理系統(tǒng)的耦合理論模型，探明了非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)電性能的影響機(jī)理。設(shè)計(jì)是基于該耦合理論模型和影響機(jī)理的機(jī)電耦合設(shè)計(jì)?？梢?，機(jī)電耦合與機(jī)電綜合相比具有本質(zhì)不同，有了質(zhì)的飛躍。

從機(jī)電分離、機(jī)電綜合到機(jī)電耦合，機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)生了鮮明的代際演進(jìn)，為高端裝備設(shè)計(jì)與制造提供了理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐，而復(fù)雜裝備制造的未來發(fā)展，將不斷趨于多物理場(chǎng)、多介質(zhì)、多尺度、多元素的深度融合，機(jī)械、電氣、電子、電磁、光學(xué)、熱學(xué)等融于一體，巨系統(tǒng)、極端化、精密化將成為新的趨勢(shì)，以機(jī)電耦合為突破口的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也將迎來更大的挑戰(zhàn)。

隨著新一代電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料、工藝等學(xué)科的快速發(fā)展，未來高性能電子裝備的發(fā)展將呈現(xiàn)出兩個(gè)極端特征。

一是極端頻率，如對(duì)潛通信等極低頻段，天基微波輻射天線等應(yīng)用的毫米波、亞毫米波乃至太赫茲頻段。二是極端環(huán)境，如南北極、深空與臨近空間、深海等。

這些都對(duì)機(jī)電耦合理論與技術(shù)提出了前所未有的挑戰(zhàn)，亟待開展如下研究：

第一，電子裝備涉及到的電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、溫度場(chǎng)的場(chǎng)耦合理論模型（electro-mechanical coupling，EMC）的建立。

因?yàn)樗鼈冎g存在著相互影響、相互制約的關(guān)系，需揭示它們之間的影響與耦合機(jī)理，廓清多場(chǎng)、多域、多尺度、多介質(zhì)的耦合機(jī)制，多工況、多因素的影響機(jī)理，并描述為定量的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

第二，電子裝備存在的非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)因素（結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造精度）與材料參數(shù)，對(duì)電子裝備的電磁性能影響明顯，亟待探索這些非線性因素對(duì)電性能的影響規(guī)律，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)它們對(duì)電性能的影響機(jī)理（influence mechanism，IM）。

第三，機(jī)電耦合設(shè)計(jì)方法。需綜合分析耦合理論模型與影響機(jī)理的特點(diǎn)，進(jìn)而提出電子裝備機(jī)電耦合設(shè)計(jì)的理論與方法，這其中將伴隨機(jī)、電、熱各自分析模型以及它們之間的數(shù)值分析網(wǎng)格間的滑移等難點(diǎn)的處理。

第四，耦合度的數(shù)學(xué)表征與度量。理論上講，任何耦合都應(yīng)該是可度量的。

為深入探索多物理系統(tǒng)間的耦合，有必要建立一種通用的度量耦合的數(shù)學(xué)表征方法，進(jìn)而導(dǎo)出可定量計(jì)算耦合度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

第五，應(yīng)用中的深度融合。機(jī)電耦合技術(shù)不僅存在于幾乎所有的機(jī)電裝備中，而且在高端裝備制造轉(zhuǎn)型升級(jí)中扮演著十分重要的角色，是迭代發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)，在裝備制造業(yè)的發(fā)展中有諸多重大行業(yè)應(yīng)用，進(jìn)而貫穿于我國(guó)工業(yè)化與信息化的整個(gè)歷史進(jìn)程中。

隨著新科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的到來，尤其是隨著以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標(biāo)志的智能制造的出現(xiàn)，工業(yè)與信息技術(shù)的深度融合勢(shì)在必行，而該融合在理論與技術(shù)層面上則體現(xiàn)為機(jī)電耦合理論的應(yīng)用，由此可見其意義深遠(yuǎn)、前景廣闊。