基于轴向挤压后屈曲模态的双稳态结构, 其跳转力、保持力和跳转行程等双稳态特征与预应力分布和后屈曲模态密切相关, 使得难以通过仅调整预压缩量来实现特定双稳态指标的设计。本文提出引入局部加强体调控预压双稳态梁临界屈曲载荷、应力分布及跳转特征的方法, 建立了具有对称局部加强体的预压双稳态梁跳转分析模型, 分析了预应力、加强体尺寸参数和位置对屈曲临界载荷、跳转力和行程的影响规律。结果表明: 局部加强体不影响原结构跳转力和保持力相等的特征; 与尺寸参数相比加强体位置参数对跳转力有较大影响, 随着位置的变化, 跳转力存在由大变小再变大的变化过程, 且调控同行程双稳态梁跳转力的幅度可达17.04%; 跳转行程主要依赖于局部加强体的刚度和所承受的预应力。

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势，进而改变材料整体电势分布，本文考虑此变形和电势耦合效应，基于欧拉-伯努利梁变形理论，推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响，建立了三层压电梁结构的控制方程；建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式，以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比，验证了所推导的解析表达式的准确性。

基于微波网络理论，提出了一种基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器的设计方法。给出了同轴光子带隙晶体传感器的结构形式，推导了传感器带隙极值频率与晶体电长度之间的关系。根据给定监测频点设计了传感器的几何尺寸及材料参数，计算了传感器的S参数，计算结果与仿真结果相吻合。分析了提高该传感器灵敏度和品质因数的方法，并搭建了实验测试平台。实验结果表明: 当应变量由0 με提高至10 000 με时，极值频率由2.450 GHz移至2.432 GHz，频移量为18 MHz，灵敏度为1.8 kHz/με。得到的实验结果与仿真结果相吻合，验证了本文所提出的基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器设计方法的可行性和有效性。该传感器可满足不同灵敏度需求下对应变的实时监测。

飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜(Microfiber Composite,MFC)为驱动器, 研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量, 以控制偏差最小为优化目标, 以驱动器的击穿电压为约束, 建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型; 通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响, 给出了最优的驱动器结构参数; 针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面, 给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明: 对于扭转变形, 多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%, 分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求, 提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想, 将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构, 通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先, 借鉴连续体结构拓扑优化的思想, 以壳单元离散筋板结构, 以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0, 描述该单元所在区域的筋板是否存在), 以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束, 镜体的质量最小为优化目标, 建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 提取并形成结构概念构型; 最后, 采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析, 并对结构进行修正, 形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10, RMS值小于λ/40, 第一阶自振频率大于1 000 Hz, 轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。