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机械工程学科前沿技术综述


机械工程学术前沿技术综述
摘要: 最近几年, 我国机械工程学科在各大领域内取得了一系列突破性进展和原创性成果, 为繁荣的经济建设提供了大量的理论方法和实践经验,对世界产生了重要的影响。本文针 对当前机械工程领域的发展现状,综述了其重要进展和成果,并对我国机械工程的发展趋 势进行了展望。 关键词:机械工程,学术,前沿,综述

1 引论

/>总的来说,机械工程是一门与机械和动力生产有关的工程学科,它以有关的自然 科学和技术科学为理论基础, 结合生产实践中的技术经验, 研究和解决在开发、 设计、 制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题。 我国机械工程学科包含以下几个方面机械制造及其自动化机械电子工程 机械设 计及理论 车辆工程 和仿生技术。机械工程的服务领域广阔而多面,凡是使用机械、 工具,以至能源和材料生产的部门,无不需要机械工程的服务。概括说来,现代机械 工程有五大服务领域:研制和提供能量转换机械;研制和提供用以生产各种产品的机 械;研制和提供从事各种服务的机械;研制和提供家庭和个人生活中应用的机械;研 制和提供各种机械武器。 传统机械的发展经历了从制造简单工具到制造由多个零件、 部件组成的现代机械 的漫长过程。机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研 制和发展新的机械产品。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展,机械工程科学的 发展出现了以下显著特点和趋势:一方面,高技术领域如光电子、微纳系统、航空航天、 生物医学、重大工程等的发展,要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、 新方法和新技术,因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学 新领域;另一方面,随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、 纳米科学技术的交叉,除了推动着机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计 学的发展外,还产生和发展着仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的

交叉科学。在未来的时代,新产品的研制将以降低资源消耗,发展洁净的再生能源, 治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

2 机械工程学科在具体层面的发展 机械工程学科在具体层面的发展 工程学科在具体层面

2.1 在机械加工技术 层面 的发展 层面的发展

一般来言,机械加工包括铸造、锻压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备, 以及切削加工技术和机床、刀具、量具等,得到迅速发展,保证了各产业发展生产所 需的机械装备的供应。社会经济的发展,对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和 精密加工技术的进展,促进了大量生产方法(零件互换性生产、专业分工和协作、流 水加工线和流水装配线等)的形成。 20 世纪中、后期,机械加工的主要特点是: (1) 不断提高机床的加工速度和精度,减少对手工技艺的依赖;(2)发展少无切削加工 工艺;(3)提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度。自动化从机械 控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化, 直至无人车 间和无人工厂;(4)利用数字控制机床、加工中心、成组技术等,发展柔性加工系 统,使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平;(5)研究和 改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。 21 世纪,世界机械工业进入前所未有的高速发展阶段,对比其他行业,机械工 业发展具有以下 7 大特征: (1)地位基础化。发达国家重视装备制造业的发展,不仅在本国工业中所占比 重、积累、就业、贡献均占前列,更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产 提供重要的物质基础,是现代化经济不可缺少的战略性产业,即使是迈进“信息化社 会”的工业化国家,也无不高度重视机械制造业的发展。 (2)经济规模化。全球化的规模生产已经成为各大跨国公司发展的主流。在不 断联合重组, 扩张竞争实力的同时, 各大企业业纷纷加强对其主干业务的投资与研发, 不断提高系统成套能力和个性化,多样化市场适应能力。

(3)发展极不平衡,区域色彩浓重。以 2003 年为例,销售额名列世界前 500 位的企业几乎来自北美洲、亚洲、欧洲,所占比例高达 99%,显示了三大洲在世界机 械工业发展中无与伦比的统治地位。 (4)结构调整进一步深化。生产方式和管理模式正在发生深刻变化,发达国家 加大了产业转移的力度, 机械产品中附加值低的产品被安排到市场潜在需求发展中国 家生产:为适应市场需求的变化,各大生产商纷纷采取专业化生产,“单品种,大批 量”已成为很多 500 强企业生产方式的新特色;同时以生产者为主导的生产方式逐步 向以消费者为主导的定制生产方式转变。服务的个性化成为竞争成败的重要因素。 (5)机械制造业全球化的方式发生了新变化。传统的全球化方式有两种:一是 以母国为生产基地,将产品销往其他国家;二是在海外投资建立生产制造基地,在国 外制造产品,销售到东道国或其他国家。其特点是:自己拥有制造设施与技术,产品 完全由自己制造;在资源的利用上,仅限于利用东道国的原材料、人员或资金等。随 着信息技术革命,管理思想与方法的根本性变化,企业组织形式也发生了变化,这些 变化发生在跨国公司, 并将成为新型全球化方式而发展下去。 这种变化的主要特征是: 广泛利用别国的生产设施与技术力量。 在自己可以不拥有生产设施与制造技术所有权 的情况,制造出最终产品,并进行全球销售。机械制造业公司在全球范围建立零部件 的加工网络,自己负责产品的总装与营销。原材料调配、零部件采购全球化已成为世 界机械制造工业的发展趋势。 (6)机械制造业的跨国并购加剧。现代并购不再一味的强调对抗竞争,强强联 合成立企业获得竞争优势的主要手段。 这时机械制造业全球化过程中大公司谋求生存 发展的一大特点。而且趋饱和的市场。日渐激烈的市场竞争。投资建厂的风险增大, 也使得更多企业开始采用联合并购的手段。在建厂的前提下,优化企业产品结构,以 达到提高生产能力、扩大市场份额,获取规模效益的目的。以高技术为内涵的行业来 自技术创新的威胁,使跨国公司走上了联合之路,以形成强大的技术创新能力。机械 制造业大企业间的战略并购,导致了机械工业资源的重新配置。使得世界机械工业的 竞争格局出现了协作型的局面。一个很好的例子就是三一重工集团。三一是全球工程 机械制造商 50 强、全球最大的混凝土机械制造商、中国企业 500 强、工程机械行业 综合效益和竞争力最强企业、福布斯“中国顶尖企业”,中国最具成长力自主品牌、 中国最具竞争力品牌、中国工程机械行业标志性品牌、亚洲品牌 500 强。2008 年 5

月 8 日, 在雷鸣般的礼炮声中, 三一重装的一台 EBZ200C 标准型掘进机成功出口伊朗, 实现了公司海外市场零的突破,吹响了重装进军国际市场的号角,具有里程碑式的纪 念意义。 (7)产品高技术化。以信息技术为代表的现代科学技术发展,对机械制造业提 出了更高、更新要求的各国和地区,特别是发达国家更重视发展机械制造业,充分体 现了机械制造业作为高新技术产业化在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替 代的基础作用。 高新技术的迅猛发展起到了推动、 提升和改造的作用。 信息装备技术、 工业自动 化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电 子技术、新材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果开始广泛应用于 机械工业,其高新技术含量已成为市场竞争取胜的关键。

2.2 在机械 电子工程层面的发展 机械电子工程层面的发展

在这里主要表现为机电一体化,随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一 体化技术获得前所未有的发展。机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电 子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结 合,并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机 电一体化的设备,它的发展使冷冰冰的机器有了人性化,智能化。 传统意义上讲,机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构 等部分组成。较高级的系统不但有硬件,而且还有相应的软件,利用软件技术可以实 现硬件难以实现的功能,使机械系统增加柔性。典型的机械电子系统有数控机床、加 工中心、工业机器人等。机械电子学技术除用于单个机器、设备或一般的生产系统的 技术改造之外,还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动 化、家庭自动化等方面。 现在来说,机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的 交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。未来机电一体化的主 要发展方向有: 1)智能化。 2)模块化。

3)网络化。 4)微型化。 5)绿色化。 6)系统化。

2.3 在机械工程基础理论 层 面 的发展 机械工程基础理论层

我们都知道,动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人 T.萨弗 里、瓦特应用了物理学家 D.帕潘和 J.布莱克的理论。在蒸汽机实践的基础上,物理 学家 S.卡诺、W.J.M.兰金和开尔文建立起一门新的科学──热力学。内燃机的最重 要的理论基础是法国的 A.E.B. de 罗沙在 1862 年创立的,1876 年 N.A.奥托应用罗沙 的理论,彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内 燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展,而理论 也在实践中得到改进和提高。

2.4 在机构学 层 面的发展 机构学层

工程机械的工作对象是动态的机械。它的工作情况会发生很大的变化。这种变化 有时是随机的而不可预见;实际应用的材料也不完全均匀,可能存有各种缺陷;加工 精度有一定的偏差,等等。与以静态结构为工作对象的土木工程相比,机械工程中各 种问题更难以用理论精确解决。因此,早期的机械工程只运用简单的理论概念,结合 实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式;为保证安全,都偏于保守。结果,制 成的机械笨重而庞大,成本高,生产率低,能量消耗很大。

2.5 在车辆工程 层 面的发展 车辆工程层

根据现有的市场需求,汽车行业未来有三个最主要的发展方向:汽车安全,舒适 和节能。节能主要是汽车新能源的问题,不在所述机械工程范围之内,而汽车的舒适 性和汽车的安全性都和机械工程有紧密的联系。 像汽车安全领域里面的主动安全系统

中的 ESP、ABS、ASR 等,其基本原理都是通过各种传感器把汽车的各种实时情况传递 给汽车的计算机,之后通过计算机的判断,进而对执行机构进行调节。所谓的执行机 构,就是所说的机械或者其他结构,包括液压,电子调节等,进而改变汽车的形势状 况。 机械仍是这些装置中必不可少的一部分, 没有机械, 汽车的这些机构起不到作用, 机械就是一个骨架,其主要的支撑作用。机械工程的发展为汽车的进步提供更加优越 的硬性条件,成为车辆工程的依靠力量。

2.6 在人工智能 层面 的发展 人工智能层面

工程机械是传统的工程技术。 机械可以完成人用双手和双目以及双足双耳直接完 成和不能直接完成的工作,而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧 和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。人类现在已能上游天 空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年,近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、 软件科学使人类开始有了加强并部分代替人脑的科技手段,这就是人工智能。这一新 的发展已经显示出巨大的影响, 而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇 迹。 我们人类智慧的增长并不减少双手的作用,相反地却要求手作更多、更精巧、更 复杂的工作,从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整 个进化过程中,以及在每个人的成长过程中,脑与手是互相促进和平行进化的。人工 智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系。 其区别仅在于人工智能的硬件 还需要利用机械制造出来。过去,各种机械离不开人的操作和控制,其反应速度和操 作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制。人工智能消除了这个限制。机械工程 可以充分利用这个新出现的巨大可能性。计算机科学与机械工程之间的互相促进,平 行前进,将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

3 我国机械工程科学发展总趋势
总的来说,在机械工程科学方面,我们虽然已经取得了瞩目的创新及进展,但必 须清醒地认识到,我国机械工程科学总体上还处于落后状态。主要体现在:我国机械

工程的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新和发展的贡献不显著;我国学者提 出的机械领域的新概念、新理论不多;有重要国际影响的机械工程理论、方法和技术 不多;国际机械领域学术界有较大影响的中国学者很少。总体上我国机械工程学术领 域在国际上的地位滞后于中国制造业在国际制造界的地位。 未来机械工程学科的发展 将主要受到两方面的制约和推动,一个是制造业的创新发展,另一个是学科的演变进 步。鉴于未来制造业发展的总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化(以 下简称“五化”)。机械工程科学的基本任务,就是为制造业的“五化”提供所需求 的机械系统新理论、新方法和先进制造技术。 介于我国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术,因此,基于 自主创新的高技术仪器及装备的设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地 发展;此外,由于 21 世纪我国资源和环境面临空前的严峻挑战,要求机械与制造科 学比以往任何时候更重视环境的保护、产品的安全性和绿色度、材料和能源的节省、 机电装备的再制造以及新能源制造领域的研究。 中国制造技术的发展总趋势是基于资源节约和环境保护基础上的数字网络化、 智 能集成化、高效精确化及极端制造化技术。采用德尔菲调查方法及研究分析,未来我 国将要重点发展的制造科技主要有以下 8 个领域。 (1) 空天及深海装备制造科技。 (2) 先进电子及通信制造科技。 (3) 微纳米制造科技。 (4) 新能源装备制造技术。 (5) 绿色制造科技。 (6) 仿生制造科技。 (7) 光子制造科技。 (8) 数字装备制造科技。 虽然我国机械工程科学已经取得了长足的进展, 但与国际先进水平仍然存在很大 差距。我们必须保持清醒的头脑,高瞻远瞩,尽快制定学科的长远发展规划,采取正 确的学科发展战略和策略。加强对基础研究中原创性理论方法的支持力度,加强对原 创性技术发明的支持力度。在继续保持和发扬摩擦学、机器人机构学等在国际学术界 占有一席之地的同时,力争在 2020 年前后机械与制造学科总体上进入国际先进行

列。 在机械工程领域学术界, 涌现多个在国际上有重大影响的科技成果和著名科学家; 在机械与制造相关的国际学术界占有更多席位; 有一批国际一流并在国际上有重要影 响的国家实验室和工程研究中心;有一大批自主创新的重大科技成果转化为生产力, 促使我国制造业产生更多的高技术产品和世界名牌企业。 综上所述,各个工程领域的发展都要求机械工程有与之相适应的发展,都需要机 械工程提供所必需的机械。某些机械的发明和完善,又导致新的工程技术和新的产业 的出现和发展,例如大型动力机械的制造成功,促成了电力系统的建立;机车的发明 导致了铁路工程和铁路事业的兴起;内燃机、燃气轮机、火箭发动机等的发明和进步 以及飞机和航天器的研制成功导致了航空、航天工程和航空、航天事业的兴起;高压 设备(包括压缩机、反应器、密封技术等)的发展导致了许多新型合成化学工程的成 功。机械工程就是在各方面不断提高的需求的压力下获得发展动力,同时又从各个学 科和技术的进步中得到改进和创新的能力。


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