机械工程的学科交叉与进展.ppt

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1、机械工程的学科交叉与进展,目录,1、学科交叉2、学科进展3、研究热点4、结语,1 学科交叉-根源、背景及内在依据,从历史上看“机械学科”是由一种技艺上升成为一门工程科学，它不大可能由内在逻辑体系的演绎来发展，而必然走一条兼采百家之长的道路；从现实来看各门学科的大融合，“横断学科”、“边缘学科”的兴起，“复杂性科学”的研究，科学正在由“分科之学”走向综合性的学问；从性质来看机械学科的综合性来源于制造活动的社会性及制造系统的开放性。,随着制造技术的进步、制造产业的发展，机械学科也在不断地开拓自己的新疆域，扩充自己的领地，提高自己的知识含量。不仅与物理、数学、力学、计算机科学、管理科学和系统科学等基

2、础学科的联系越来越广泛、越来越密切，而且，原来以为是“风马牛不相及”的学科，如原子物理、生命科学、信息科学和人工智能之类，现在成了机械学科的“近邻”。机械学科在与这些学科接壤的“边区”发展交叉学科，创造新的理论、新的财富和新的辉煌。,学科交叉,现代超精密加工（包括微细加工）发展的前锋已经与原子物理学接壤，以分子组装（自装配）的方法制造微型零件。制造工程技术人员需要进入到物理的微观世界，直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道。在纳米尺度上：新现象、新规律、新困难 1.量子效应、物质的波动特性、微观涨落；2.“均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设不再成立；,举例1 微纳制造学,3.宏观的

3、物理量，如弹性模量、摩擦系数、密度、温度等，已失去意义；4.固体甚至不再具有确定的“表面”；5.欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不再 能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律。一个十分陌生的世界和一堆十分棘手的问题与困难！需要向物理学家、化学家学习，与原子物理学、分子物理学、化学实行学科交叉。,举例1 微纳制造学,现代制造系统高度复杂的系统 现代制造系统的复杂性表现在：1、固有的非线性，2、多自律单元的协同行为，3、开放性，非平衡性，4、生存在一个随机变化、难以预测的环境中。5、以任何传统的组织结构、运行模式与控制方法都难于驾驭！出路从生命现象中学习如何组织与运行复杂系统的方法和

4、技巧。,举例2 仿生制造学,“仿生制造”新一代制造技术，模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程。1.机械化、自动化延伸了人类的体力，2.智能化延伸了人类的智力，3.仿生制造学习与借鉴人类自身内秉的组织方式与运行模式，延伸人类自身的组织结构和进化过程。,举例2 仿生制造学,仿生制造的内涵问题 向生命科学学习什么 1.完善的信息技术 2.由基因控制的生长成型方法 3.性能超群的有机材料 4.奇妙的生物智能 5.先进的组织结构和运行模式 6.高效的寻优与趋优方法,举例2 仿生制造学,随着经济全球化进程的加快，机械工程呈现出新的发展趋势，可归纳为4个方面:绿色制造、高技术化、信息化、极端制造

5、 1）绿色制造面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制定可持续发展规划，推行绿色制造技术。例如，德国制定了产品回收法规，日本等国提出了减少、再利用及再生的3R(Reduce、Reuse、Recycle)战略，美国提出了再制造(Remanafacturing)及无废弃物制造(Waste-free Process)的新理念，欧盟将颁布“汽车材料回收”法规。绿色制造技术不单是从环境出发考虑，而是包括资源、环境和就业三个方面的可持续发展战略。推行绿色制造既给制造业的发展提出了严峻的挑战，同时也创造了很好的机遇。,2 学科进展,2）高技术化科学技术特别是生物、纳米、新能源和新材料等高技术的迅猛发展，

6、给先进制造技术带来了深刻的变化。制造业是高技术的重要载体，而高技术又为制造业前瞻性发展提供了技术支撑。制造已经从经验走向科学，从追求生产率和优化产品的可制造性走向可预测性的高品质、高技术含量产品的研究开发，面向可预测性也从宏观预测发展到微观乃至原子尺度品质预测。今后的制造将是基于科学的制造，大批技术含量高的先进制造技术及产品也在不断涌现，同时更值得重视的是出现了崭新的如纳米制造技术及生物制造技术等制造技术。,学科进展,3）信息化 信息技术与制造技术的融合将进一步给制造技术带来巨大的、革命性的变化。将传感技术、计算机技术、软件技术“嵌入”制造业，实现产品的信息化与数字化，不仅可以提高其性能，还可

7、使之具有“智能”。信息技术的应用将大大提高制造装备的精度与效率，并实现自动化与智能化。在经济全球化的格局下，基于网络的制造技术将得到广泛应用，制造装备和制造系统的柔性与可重组将成为2 1世纪先进制造技术的显著特点。中科院创新2050：科学技术与中国的未来系列报告提出：基于泛在感知网络的智能制造系统，泛在制造（Ubiquitous），无线传感器网络、物联网等。,学科进展,4）极端制造 制造技术正在从常规制造、传统制造向非常规制造及极端制造发展。极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。当前，极端制造集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场(如强能量场)制造。

8、例如制造空天飞行器、超大型发电设备、超大型冶金和石油化工设备等极大尺寸和极强功能的重大设备，制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。以大型金属构件塑性成形制造为例，二战以后，美、俄、法等国建造了一批4.5万吨到7.5万吨的巨型水压机，从而迅速提高了大型飞机制造能力及洲际运载能力。再以微制造为例，纳米技术和微纳系统是2 l世纪高技术的制高点，而微制造则是其基础。机械工程的一个重要前沿领域是探索极端制造规律与应用。,学科进展,高档数控机床及基础制造装备关键技术 数字化、智能化设计制造与管理技术 小于45nm极大规模集成电路专用设备关键技术 微米/纳米制造技术 百万千瓦级核电机组

9、设计制造技术流程工业绿色制造与自动化技术 节能轿车和新能源汽车技术 高速铁路成套装备设计制造技术 绿色制造技术 深海资源开发装备设计制造技术 关键基础件设计制造技术机器人技术,未来15年推动我国产业发展最重要的核心技术,制造业是国民经济的物质基础，国家安全的重要保障，国民经济高速增长的发动机及国家竞争力的主要体现。作为制造业赖以生存和发展的基础-机械工程学科和先进制造技术，将在中国走新型工业化道路、全面建设小康社会、迈向制造强国的进程中起关键性作用。学好机械工程，将大有可为！,制造装备发展机遇与挑战并存,我国制造业2009年已经接近全球第二汽车制造，逆势上扬，已成为产销第一大国，制造装备投入高

10、达1400亿元风电、核电、大飞机、点火工程、IC制造、对地观测、载人航天等国家重大工程、战略性高科技产业全球化的经济竞争和政治较量依然十分激烈和尖锐，后金融危机，发达国家更加紧了其高端装备的技术竞争和垄断,3 研究热点,3.1 高档数控机床及基础制造装备,高档数控机床与基础制造装备,主 机（关键技术）,数控系统（关键技术）,功能部件和关键部件,用户,应用示范工程,1.高速精密复合数控金切机床,2.重型数控金切机床,3.关键部件,4.大型数控成型冲压设备,5.重型锻压设备,6.清洁高效铸造设备,7.新型焊接设备与自动化生产设备,8.大型清洁热处理与表面处理设备,1.高档数控装置,2.电机及驱动装

11、置,1.数控机床功能部件,2.数字化工具系 统及 量仪,用户工艺应用试验基地,共 性 技 术,创 新 平 台 建 设,3.数控特种加工机床,数控机床专项（8大类、57*N种主机）,1.世界机床 需求第一 大国,2.五轴联动 数控机床、高性能部件 及高档装备 等基本依靠 进口,3.产品技术 基本靠仿制,4.企业缺乏 开发能力,产品,57种主机,十大标志 性装备,数控与部件,接近西门子 840 D系统,配套验证,共性技术,模块使能化,部分应用,产品,技术水平先进,数控与部件,自主产权,有特色功能,共性技术,掌握核心技术,提供系统配套,自主技术,走向国际市场,批量推广,产品,主导产品前3,数控与部件

12、,国际先进,技术国际前3,共性技术,国际技术前沿,若干国际著 名研发机构,满足重要需求,企业进入前3,80覆盖率,建成创新平台,4大领域需 求的80装 备自主设计 制造,80装备采 用国产数控 系统与部件,高档装备、生产企业、研发机构进 入世界前3,技术路线图（时间进度）,现状,2010,2015,2020,目标,领域需求,航空航天,汽车,能源装备,造船,主机,高速精密,重型,特种,铸,锻,焊,热处理,数控,数控装置,伺服与驱动,电机,轴承,丝杆,导轨,摆头/转台/刀架,电主轴,动力头,刀具/砂轮 及系统,对刀装置,功能部件,共性技术,设计类,技术类,应用类,创新平台,产品,共性 技术,（任务

13、分解）,技术路线图,高速机床,电主轴,工作台,安全防护系统,刀具系统,数控系统,轴承,电机,驱动,伺服,导轨,摆头,防护罩,传感器,控制系统,换刀机械手,拉紧装置,刀套/锥柄设计制造,对刀系统,刀具系统,伺服系统,光电编码器,主轴系统,设计,制造,装配,检验,接触力学摩擦学润滑理论润滑介质,内外环磨床热处理装备,装配理论/工艺/工具,高精度量仪-尺寸形状装配检验-,共性技术,机床动静热特性设计可靠性基础部件的热处理技术热加工仿真体积成形技术板料成形技术高效切削技术复合材料结构成形与加工新型连接技术在线检测技术若干前沿技术渐变成形：激光成形、旋转锻泛在网（制造车间物流、传感器网络制造、）超精密加

14、工,基础元器件(简称基础件)是组成产品最小的功能单元，它的性能、质量、寿命和可靠性直接关系着主机的性能、质量、寿命和可靠性，它的技术水平决定了主机的水平，没有高水平的基础元器件就没有高水平的主机。关键基础元器件主要有传感器、功能材料、轴承、齿轮、液压件、气动件、密封件等。,3 研究热点,3.2 关键基础件设计制造,国家973项目：高性能滚动轴承基础研究,2011CB706600-G,国家科技支撑计划“关键基础件和通用部件”重点项目（项目编号：2011BAF09B00）,高速铁路和城市轨道交通车辆轴承关键技术研究与应用 2兆瓦以上风电装备系列轴承关键技术研究与应用 工程机械静液传感高速高压变量液

15、压泵和马达关键技术研究 先导式大流量电液比例阀关键技术研究与应用 高参数泵机械密封装置关键技术研究与应用 大型及行走式工程机械密封关键技术研究与应用 齿轮箱轻量化关键技术研究与应用,3 研究热点,3.3 绿色制造,重点围绕机电产品行业，开展绿色设计技术，绿色回收拆解与资源化技术与装备、产品及零部件再制造技术与装备、绿色制造共性技术等关键技术研究，开发一批具有自主知识产权的典型产品、工艺和重点装备。,国家科技支撑计划“绿色制造关键技术与装备”项目（项目编号：2011BAF11B00）,典型工程机械轻量化设计技术及应用 通用型桥式起重机轻量化设计技术及应用 机床轻量化设计技术与应用 制冷类家电易拆

16、解及新材料替代设计技术 汽车绿色拆解与再利用关键技术与装备 典型家电产品拆解、资源化及再制造成套技术与设备 汽车零部件再制造关键技术与装备 工程机械零部件再制造关键技术与装备 机床再制造成套技术及产业化 绿色制造相关共性技术,课题设置,3 研究热点,3.4 机器人技术,由工业机器人组成的汽车自动生产线,3 研究热点,3.5 微纳制造,MEMS市场的特征:年增长率:20 to 25%应用前景：微型机器人、生物芯片、微型飞机、纳米卫星等应用领域：通信、工业、农业、航空航天、军事、医学等领域。目前的例子:喷墨打印头、汽车压力与加速度计、医用压力传感器,尺度发展,adapted fromVolker

17、Saile,Karlsruhe,Germany,微小机械0.1m-0.1mmMEMS 0.1mm-0.1NEMS 100nm-0.1nm,Fraunhofer/Kurt Henseler,桌面工厂,微电加工（工艺优化，减少应力）,3mm,，,1mm,微细电火花技术加工的微型步进电机Sandia国家实验室,科学问题：1、微尺度效应微纳材料与结构的性能表征,涉及的几何尺寸至少在一维上接近微米、亚微米甚至纳米量级，十分接近其材料性能的临界尺寸，如何表征其本构关系涉及的几何尺寸在其余维数上仍属于宏观范畴，远远大于其它一个或两个方向的尺寸（如薄膜、细丝等），现有基于量子力学或分子动力学的微观计算并非分析

18、微纳制造过程中涉及的力学、热学等多场耦合特性的适用方法涉及到材料的常规表征参数，如杨氏模量、摩擦系数、强度是否还适用,科学问题：2、微复形理论强非线性流变过程模拟,研究高能束（激光、电子束、离子束）和强场（电场、磁场、微波、超声波等）在制造受体物质中的聚集、传递、吸收与发散现象及其在制造受体界面和体积中诱发物理化学反应规律，探索上述物理化学反应所伴随的结构几何转移、性能演变规律,科学问题：3、高能束对材料的改性机理,微纳制造过程还往往涉及微小尺寸下的塑性成形、质量迁移等复杂流固耦合与约束流变过程。这些流变过程除材料非线性外，还涉及到几何流形和边界接触两重非线性大变形等基础科学问题。其机理的探讨，是控制加工质量的关键。,科学问题：4、微流道问题,在微尺度下，由于物体尺寸的缩小，物体的特征长度和气体的分子的自由程可以比拟了。在这种情况下，流体的粒子性就可能显现出来，NS方程还是否适用？对常规尺度的层流流动，通常认为，相对粗糙度小于5%时可忽略粗糙度的影响，但在微流道中，峰谷粗糙度约为3.33.9%,其流动阻力系数与雷诺数的乘积比层流流动的理论解增1537%壁面效应如何评估？,科学问题：5、微摩擦问题,Fujiwara等通过FFM发现LB膜（花生酸钡）的摩擦力在低载时与载荷成线性关系，而在高载时，摩擦力随载荷的2/3次方增加。,