我国机械工程研究进展与展望

　　【论文摘要】在国家自然科学基金等的支持下，机械工程研究领域近年来取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。虽然如此，我国机械工程科学在国际上总体还处于落后地位。未来制造业发展总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化。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、高效精确化、智能集成化及制造极端化。采用德尔菲调查方法和分析研究，预测未来20年将要重点发展的制造科技主要有空天及深海装备制造、先进电子及通信制造、微纳米制造、新能源装备制造、绿色制造及再制造、仿生及生物制造、光子制造和数字重大装备制造等八个领域。
　　【论文关键词】机械学科、研究现状、重大成果、发展趋势、发展策略
　　Abstract ： In recent years, a series of outstanding progresses and original innovations have been achieved in the fields of mechanical engineering, which provide a large number of novel theories, technologies and methodologies for our nation5s economic construction and mechanical engineering. Some of them play great significance at home and abroad. Particularly, a few advanced subjects have gained their top level position in international academic community. However it should be soberly aware that Chinese mechanical engineering science is generally in a state of backward position. The future general trends of manufacture industry are globalization, informatizaton, greening, knowledge-creating and extremalization. The overall development trend of manufacturing engineering is resource saving and environmental protection based digital network, intelligence integration, high efficient and high accuracy and extreme manufacture. Based on Delphi survey method and study, the predicted key manufacture technologies in the future will focus on the following eight fields: equipment manufacture for space and deep sea application, manufacture for information technology, micro/nano manufacture, new energy equipment manufacture, green manufacture and remanufacture, bionic manufacture, photon manufacture, and digital equipment manufacture.
　　Key words ： Mechanical engineering science Current situation Major achievements Development trend Development strategy
　　0前言
　　21世纪人类社会主要面临四大问题：气候变暖、资源枯竭、人口增加、环境恶化。随着时间的推移，这些问题将变得越来越严峻而不可逾越。人们将会发现：生态(地球的保护和人类生存环境)可能比经济更为重要。中国将成为世界最大能源消耗国。20年后，由于石油、煤的枯竭，核能、太阳能、地热能、风力能、水力能的利用占整体能源的比重将会大增[1-3]。
　　未来制造仍然是创造人类文明财富、促进人类进步的主要手段之一。制造业是国民经济的支柱产业，它与其他产业相互支撑而推动生态建设和经济增长。面对上述重大问题，制造业及其科学技术面临着严峻挑战。
　　由于中国将实现从"制造大国"向"制造强国"的战略转变，要实现此战略转移，关键在于制造技术及其产品的创新。制造业之间的竞争，说到底是科技的竞争。产品的创新和自主品牌的打造是中国制造业面临的重要挑战。
　　如果我们能正确认识、预测和面临这些挑战，及时采取应对战略和策略，大力加强制造科技及其产品的原始创新和自主创新，中国就可成为制造强国，中国高端品牌产品将可与美日欧并驾齐驱，中国制造业将立于世界之林。
　　本文是中国科协组织编著的"2008?2009机械工程学科(机械制造)发展报告"中综合报告的核心内容。本文力图站在学科前沿和国家战略需求的高度，对机械工程学科近年来产生的主要新观点、新理论、新方法和新技术进展及成果进行评述。
　　本文采用德尔菲调查和研究分析，对学科发展未来进行了科学预测，展望了今后5?10年，甚至更长时期机械工程学科的发展趋势，提出我国机械工程学科未来发展的优先领域、重要科技问题。由于时间、信息和知识的局限，文中存在的遗漏和错误之处，欢迎指正。
　　1机械工程学科的定义和范围
　　机械工程学科是研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理论、方法和技术的科学，包括机械学和制造科学两大领域。
　　机械学是研究机械结构和系统性能及其设计理论与方法的科学，包括制造过程及机械系统所涉及的机构学、传动学、动力学、强度学、摩擦学、设计学、仿生机械学、微纳机械学及界面机械学等。
　　制造科学是研究制造过程及其系统的科学。它涵盖产品设计、成形制造(铸造成形、塑性成形、连接成形、模具制造、表面工程等)、加工制造(超精密加工、高效加工、非传统加工、复杂曲面加工、测量及仪器、装备设计及制造、表面功能结构制造、微纳制造、仿生和生物制造)和制造系统运作管理等科学[3]。
　　2我国机械工程研究进展综述
　　机械工程研究是先进制造技术的不竭源泉。推动我国制造业自主发展的主要驱动力是先进制造技术，航天和国防先进装备几乎完全立足于自主创新技术。在航空、车辆、家电、微电子、轻工业、石化、工程机械等制造业，自主创新的技术和自主品牌也越来越多。
　　在国家自然科学基金等的资助下，机械工程研究近年来取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。
　　2.1摩擦学领域
　　纳米摩擦学、生物摩擦学、极端环境下的摩擦学和界面摩擦学是近年来摩擦学的主要发展趋势和前沿。
　　温诗铸、雒建斌等发现在动力润滑和边界润滑之间存在一个过渡区，提出了薄膜润滑的概念、发明了纳米薄膜测量技术、建立了薄膜润滑的物理和理论模型。薄膜润滑研究架起了动力润滑和边界润滑之间的桥梁，被国际上著名专家GRANICK等评价为"是对润滑研究的一个重要贡献"。摩擦学国家重点实验室近来又在纳米尺度界面微观粘着摩擦与生物运动的关系中，建立了壁虎爬行中快速粘附和脱附理论模型；将分子膜气体润滑理论与表面力作用相耦合，发现了磁头运动方程中范德华力对磁头飞行特性的影响规律，使磁头滑块的承载能力和俯仰转矩明显减小，改善了磁头飞行运动的稳定性；在界面减阻研究中，提出了微旋涡、微凸体、微空泡减阻新理论及新技术，大幅度降低了表面摩擦阻力，该技术已经成功用于国家重要工程中[4]。
　　周仲荣研究群体针对工程中出现的大量微动失效问题，发现了切向微动混合区域、建立了运行工况和材料的微动图理论，提出了复合微动损伤机制，发展和完善了微动摩擦学理论；在生物摩擦学，特别在自然牙的摩擦学研究中，揭示了自然牙的微观织构及其摩擦磨损机制；结合高速铁路中的轮轨关系问题，系统开展了轮轨摩擦学研究，首次在试验中发现了轮轨波磨现象，从理论和试验上深入分析了轮轨波磨的形成机制，取得了重要突破[5]。
　　刘维民等将研制成功的纳米固体润滑技术用于我国航空航天工程，发挥了重要作用。
　　由于上述一系列突出的学术进展和成就，摩擦学成为我国机械工程学科在国际学术界最具影响的学科之一。
　　2.2机器人机构学领域
　　并联机器人机构学是近20年来国际机构学的研究热点和学科前沿，也是我国学者在国际上具有重要学术影响的研究领域之一。
　　黄真、高峰等[6]以螺旋理论、李群、集合论等为数学工具，提出少自由度并联机结构综合的普适性方法和通用自由度计算公式，主螺旋解析识别模型，一阶和二阶运动影响系数模型，以及性能与构件尺度空间模型。利用上述理论综合出数十种新机构，开发出多维力传感器、微操作机器人、地震模拟器，并为锻造操作机、伺服压机、电铲等装备的自主设计提供了重要的理论依据。
　　黄田、汪劲松等[7]提出基于线性空间理论的少自由度并联机构雅可比矩阵普适性建模方法，及包括运动/力传递特性和优质尺度域在内的多种性能评价与参数优化设计方法，攻克了运动学标定，轨迹规划、运动/力控制，动态性能检测等关键技术。利用上述理论和关键技术，开发出5轴联动大型龙门混联机床、飞行模拟器、柔性支撑装备、高速包装机器人、5自由度混联机器人作业单元等多种工程化装备，并在大型水电叶轮加工、射电望远镜重大科学工程、锂离子电池生产线中得到成功应用。
　　宗光华等建立了一套以柔度矩阵为核心的全柔性并联精微机构设计理论，开发出若干微纳操作/装配并联柔性微动平台。戴建生、丁希仑等[8]揭示了空间变胞机构中拓扑演变规律，推动了空间结构学的发展。孙立宁等提出基于大行程柔性较链的宏微一体化柔性并联微动平台。张宪民等以平面3自由度并联柔顺机构为平台，提出了综合考虑固有频率、最大应力、最大驱动力等在内的低耦合精密定位机构，并在电子制造装备中得到应用。
　　2.3机械动力学领域
　　非线性动力学、复杂机电系统的故障预示和智能维护是机械动力学的前沿研究领域。
　　陈予恕等在高维非线性系统的分叉研究中，提出了约束分叉理论、时变产生系统的安全域侵蚀理论、非线性转子系统的稳定性量化分析方法，提出了转子系统非线性故障诊断的系列方法和技术，解决了国内十几个发电机组的振动疑难问题。
　　闻邦椿等在国际上率先提出振动利用工程的概念，提出了概率一等厚筛分理论、振动同步和控制同步理论，采用动态设计方法，设计研制了数十种工程振动机械，创建了振动利用工程学科。
　　屈梁生等针对大型机组转子振动难题，提出了全息谱的概念、发现了转子平衡过程在全息谱上的表现，提出了用全息谱技术识别和诊断机组故障、实现转子全息动平衡的方法和技术，在机组故障分析诊断中发挥了重要作用。
　　胡海岩研究了三类典型的非线性振动控制系统，提出了含时滞控制系统动力学、含弹性约束的振动控制系统分叉机理和控制方法、含迟滞阻尼振动控制系统的建模和控制方法，被国内外学术界多次评价和引用，美国控制专家SCHAECHTER评价为"耳目一新的系统方法"。
　　翟婉明提出并完善了被国际学术界称为翟.孙模型的"机车车辆一轨道系统耦合动力学模型"，研制了自主知识产权的机车车辆一轨道耦合动力学仿真系统和安全性现场测试评估体系，并应用于我国铁路机车的开发设计和铁路提速改造工程中，取得了重大的经济和社会效益[3]。
　　2.4机械传动学科领域
　　高速、高效、低能耗、低污染、高智能、微型化是近年来机械传动和控制研究的前沿。
　　超声电机是基于压电效应和超声振动的一种新型微电机，它突破了传统电磁效应电机原理，具有力矩重量比大、结构简单、响应快、噪声低等优点。其研究涉及振动学、摩擦学、材料学、电子学、控制和超精密加工多个学科领域。赵淳生研究中心在超声电机运动机理、机电耦合模型、结构参数优化、驱动与控制技术等方面提出了系统的理论和设计方法。发明和研制了30多种独具特色的新型行波、驻波超声电机以及驱动器，不少产品已用于重要工程中。德国著名专家WALLASCHEK教授评价："是中国乃至世界最具实力的研究机构之一[4]。
　　陈学东在高速超精密运动控制研究中，率先发现并阐明了气浮轴承气旋现象产生的机理，提出了气浮气膜的支撑刚度和阻尼的计算和控制方法，提出的驱动系统分析控制软件已经用于我国大规模集成电路光刻机驱动系统的研制中。
　　针对船舶推进系统中轴承使用贵重金属、以及用油做润滑剂造成河海污染问题，王家序等提出了一种新型复合材料水润滑动密封轴承，揭示了载荷、速度、时间、间隙、温度等因素对水润滑橡胶合金轴承摩擦磨损性能的影响规律，发明了具有多曲面与直线圆弧凹槽有机组合的水润滑橡胶合金轴承。由于这种轴承节省了大量贵金属、以自然水代油做润滑剂大大减少了对河海水的污染，在国内外船舶等传动系统中得到广泛应用。
　　2.5仿生机械和生物制造领域
　　机械工程学科与纳米科学、信息科学和生物科学的交叉是20年来学科发展的最大特点。其中仿生机械学已经发展成为一门新的学科。
　　任露泉领导的研究团队在脱附降阻表面结构研究方面取得了重要进展：发现了土壤动物的表面脱附减阻现象。通过一万多只动物试验和理论分析，揭示了动物表面脱附减阻的形成机理；通过一千多个不同形状和尺寸的仿生非光滑推土板试验、仿真模拟和理论分析，掌握了非光滑表面脱附减阻的规律和技术，开辟了我国机械仿生学领域。近年来又在仿生柔性动态减阻、仿生电渗脱附等方面取得了重要进展；发明了一系列地面机械脱附减阻仿生技术，并成功地应用于农业机械和国防工程。将脱附减阻仿生技术应用于犁壁、圆盘犁犁体以及深松机具工作部件等农业机械触土部件，减租效果明显。
　　西安交通大学卢秉恒、李涤尘等在人工骨仿生制造研究中发现了人骨组织中"Y"和"H"型结构，建立了骨组织模型，优化分析了骨组织结构，阐明了骨微组织的构建对于骨转化的作用规律；建立了骨缺损的复合结构修复方法，采用快速成形法制造了人工骨的结构框架，并在动物骨缺损修补中获得成功。颜永年等在人工细胞培育和制备方面进行了初步探索。
　　北京航空航天大学在生物加工成形方面，加工出了微小齿轮等零件，并揭示了生物去除加工的机理；采用微生物金属化约束成形，制备出了高介电常数雷达波吸收剂和隐身蒙皮，直接利用鲨鱼皮生物约束成形出了机械鱼减阻蒙皮；提出了脂质体基生物芯片的脂质体合成与喷射一体化微喷工艺，与中科院生物物理所合作操作脂质体，形成了脂质体微阵列在基片上的连接与固定，并实现了分子马达在脂质体表面上的驱动纳米镇棒旋转。
　　2.6先进电子制造领域
　　21世纪初，钟掘等从战略高度提出了"极端制造"的理念和优先领域。先进电子制造是本世纪初我国机械工程科学家面向国家重大战略需求，第一次规模性地将研究触角伸向一个并不熟悉的多学科交叉领域。以丁汉、雒建斌为首的项目组围绕硬盘驱动器和超大规模集成电路(Integratedcircuit,IC)制造中的关键科学问题开展了系统的基础理论和应用技术研究，提出了纳米量级划痕深度和长度可控的单颗磨粒磨削方法；建立了硅片自旋转磨削的砂轮临界切深模型和实现延性域磨削的工艺规范；揭示了计算机磁盘和磁头超精密抛光的工艺规律，提出了专用抛光液的制备原理；揭示了高加速度运动系统的宽频多模态复合运动特征，提出了高加速度、高精度、高可靠性精密驱动平台的设计理论与控制方法；阐明了超声键合界面原子快速扩散机理，发现了键合界面的"粘滑"运动特性，提出了变参数加载工艺。
　　2.7数字制造领域
　　数字制造是制造学科与信息学科交叉的产物，是制造技术现代化最重要的体现。现在数字制造已成为信息化制造的代名词，已经广泛深入到机械系统和制造过程中。
　　熊有伦、尹周平等针对发动机类零件设计制造中的难题，提出了基于可视锥的几何推理新方法、复杂曲面轮廓误差的统一判别理论、基于线几何理论的直纹面类型判别与参数重构、复合形夹持理论及定性定量分析等数字制造基础理论，建立了集快速测量、数字建模和设计加工于一体的系统技术平台，应用于缸盖、进排气管道、叶片类复杂曲面零件快速产品开发，在汽车、国防等行业得到成功推广。
　　周祖德等提出的数控系统开放式体系结构理论、激光加工中基于法矢的五轴联动插补及误差补偿技术、曲轴磨削控制模型及自动测量方法等，应用于华中数控系统、激光加工成套设备、数控曲轴磨床成套系统；提出了数字制造的概念内涵、体系结构和技术架构，创办了颇具特色的《数字制造科学》杂志。提出基于数字光纤光栅传感的重大机械装备实时动态监测与诊断的原理和方法，并成功应用于港口、冶金、国防等重大机械装备。
　　丁汉、朱向阳等将距离函数和伪距离函数理论应用于力旋量和运动旋量空间的定性与定量几何推理，建立了夹具和夹持机构的封闭性、稳定性的定性与定量分析和评价指标体系。提出了最优接触点构形规划的增量算法，这是国际上迄今为止唯一的通用算法，可以应用于任意三维物体、任意接触点数的夹持规划。提出了满足定量指标约束的全部夹持构型计算方法。开发了38套工业机器人作业系统，广泛应用于焊接、装配、码垛和机械加工等行业。
　　2.8机械测量学科领域
　　大尺寸和微纳尺寸测量、极端环境条件下的测量、纳米计量、无线网络测量和智能数字化测量是近年来测量领域的主要发展方向。机械测量是近年来机械工程研究中原创性技术成果产生最多的领域。

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