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机械原理学科的前沿发展


机械原理学科的前沿发展
一、机械学科的内涵
机械学是对机械进行功能综合并定量描述以及控制其性能的基础技术科学。 它的主要任 务是把各种知识、 信息注入设计, 将其加工成机械系统能够接受的信息并输入机械制造系统, 以便生产出满足使用要求和能被市场接受的产品。机械学包括机构学、机械振动学、机械结 构强度学、摩擦学、设计理论与方法学、传动机械学、微机械学和机器人机械

学等。 机械制造是将设计输出的指令和信息输入机械制造系统, 加工出合乎设计要求的产品的 过程。机械制造科学是研究机械制造系统、机械制造过程和制造手段的科学。它包括机械制 造冷加工和机械制造热加工两大部分。

二、机械学科发展形势
“中国制造”正在世界范围内重新崛起。 从总量看,2000年中国制造业总产值已达到35000亿人民币,在世界制造业总产值中所 占比重约为5%,成为世界第四大生产国,在国民经济中的比重也上升到38.2%。 2008年,机械工业产销分别增长23.43%和23.26%。重要产品产量再创新高,前11个月, 实现利润总额4605亿元,比2007年同期增长16.42%。2009年上半年,我国机械行业主要生产 指标同比增速呈逐月提高趋势,其中新产品产值增速提高较快。1-6月,全行业完成工业总 产值47918.28亿元,比2008年增长7.28%。 中国制造崛起的一个重要表象是生产能力迅速扩张。 初步估计, 我国已有上百种制造产 品(涉及家电制造业、通讯设备、纺织、医药、机械设备、化工等10多个行业)的产量成为 “世界第一” 。

三、 机械与制造科学的未来发展趋势
机械与制造工程科学发展的总趋势是多学科交叉和综合。微型精密化、数字智能化、 高效清洁化、 柔性集成化已成为主流发展趋势。 随着世界的进步、 国家的需求和学科的发展, 机械与制造科学的发展出现了以下显著特点和趋势。

(1)仿生机械与生物制造 生命科学必将对 21 世纪的技术进步与社会发展产生重大影响。 机械科学与生命科学的 融合交叉将产生崭新的工艺与产品, 形成一个富有发展潜力的新产业。 制造仿生与生物制造 是一个极富创新性和挑战性的前沿领域。 这方面的研究内容包括: 生物活体组织的工程化制 造;仿生设计技术与仿生制造系统;仿生微型机械及其生物制造工艺;生物遗传制造(基于 遗传基因的生长成形技术) 。 (2)智能机械结构及系统 智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器及执行器,赋予结构健康自诊断,环境 自适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征,以达到增强结构安全、减轻重量、降低能 耗和提高性能等目的一种仿生结构系统, 主要内容有: 智能机械结构系统基础理论及关键技 术的研究;典型智能机械结构系统的研究。该领域的研究内容还包括:智能机器人和智能制 造系统等。 (3)数字化制造 21 世纪将是数字化制造的时代,通过对设计与制造过程的数字化理论与技术的研究, 实现在高度交互、高度仿真的虚拟现实环境下的新一代虚拟设计、虚拟制造和网络制造,这 将会使制造技术和制造产业发生革命性的变化。 测试技术和测试仪器的虚拟化、 控件化及其 科学问题的解决将是测试技术及测试仪器领域的一大突破。 针对材料科学的新发展和制造技 术发展的新需求, 研究按零件最佳使用功能要求来研究理想材料零件的数字化设计制造的融 合理论与方法和材料与零件的数字化成形制造的新方法。 这是一个多学科交叉的前沿科学问 题,将会使人们长期以来设想按力学、电磁学性能高效设计和制造零件的愿望成为现实。 (4)可重构制造系统 为适应快速变化的市场需求和信息技术的迅速发展,制造系统及其企业应当是灵活多 变可重组的。 可重组制造系统的体系结构及优化设计理论、 柔性制造单元及可重组制造系统 的随机动态规划、 可重组制造系统的工艺及装备研究等, 都是在新世纪初要解决的关键科学 技术问题。 (5)高效、精密及低成本加工机理、工艺及装备 产品的快速响应制造、 绿色制造和超精密工程在 21 世纪对加工工艺和装备提出了新的 要求,需要在加工机理、加工工艺、加工质量保证、新的加工方法、新型加工及控制设备、

新型工具材料及结构等方面进行深入研究,形成可靠、优质、高效、精密、特种、创新的加 工工艺及装备技术,对发展我国制造技术,提高产品制造质量,推动国民经济发展具有重要 意义。并联机床的关键技术基础、超高速切削和磨削的机理、新型刀具及磨具材料和结构的 基本理论、超精密加工、基于环境意识的加工制造技术等都是新世纪初要研究的重要课题 (6)高效、精确、低成本成形及装备的理论和技术 精确成形技术和计算机的模拟仿真是现代成形技术两个最突出的发展方向。在复杂大 型模具的仿真模拟及其设计制造、大型铸锻件的质量保证技术、复杂零件(如发动机)的制 造技术、激光加工技术基础、快速原型数字制造技术、焊接智能自动化、成形制造过程的清 洁生产研究等方面开展以知识为基础的 (KBE) 以高质量、 , 短周期、 低成本为总目标的铸造、 塑性加工和连接工艺技术和装备基础性研究,就成为此领域的重要方向。 (7)产品的绿色设计和制造 研究内容包括:建立绿色产品、绿色制造系统的模型,把涉及环境、生态等经验性描 述和相关学术思想等内容用数学方法融入到设计制造理论体系中; 绿色产品的评价指标体系 和方法; 机械设备和国防装备再制造中的关键技术, 如再制造装备系统失效行为的物理模型、 再制造毛坯纳米复合及原位自愈合生长成型技术、 再制造部件和产品综合性能在线检测和计 算机模拟等。 随着机械装备机电一体化程度的不断提高, 电磁污染问题也是亟待研究的问题。 (8)产品创新设计和全性能、全生命周期优化设计 加强产品创新设计研究, 既是机械学科发展的需要, 也是提高我国综合竞争力的需要。 产品开发理论和方法学、 产品开发中的知识处理和信息技术、 网络环境下的异地设计技术和 虚拟设计等是该领域内急需研究的几个方向。 (9)摩擦学前沿 摩擦学贯穿于产品的设计、制造、使用及维修等整个过程,是机械工程学科的基础和 前沿领域之一。目前,微摩擦学及微动摩擦学、特殊工况下的摩擦学问题、纳米及分子尺度 上的摩擦学研究、新材料及先进表面处理的减摩抗磨研究、生物摩擦学、摩擦学性能的主动 与智能控制、摩擦学设计及绿色问题等是摩擦学研究的热点。在研究界面摩擦行为、损伤、 失效机理的基础上,要与工程实际相结合,解决工业中的关键摩擦学问题。

(10)机械系统动力学建模与控制
21 世纪初,机械动力学将受到高速载运工具、智能机械和微机电系统的发展需求牵引

和信息科学与技术的推动,沿着动力学建模、仿真、分析与控制一体化的主线发展。在其发 展中,特别应受到关注的研究内容有:对包括机、液、电、磁多场耦合,带有智能控制的复 杂系统的动力学描述, 嵌入人工智能的系统映射动力学分析及控制, 以及新型主动、 半主动、 被动动力学控制技术的实现, 特别是应用于具体对象, 使其在动力学性能方面有较大幅度的 提高。


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