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机械工程的学科交叉与进展目录目录1 1、学科交叉、学科交叉2 2、学科进展、学科进展3 3、研究热点、研究热点4 4、结语、结语1 1 学科交叉学科交叉-根源、背景及内在依据根源、背景及内在依据 从历史上看从历史上看“机械学科机械学科”是由一种技艺上升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的演绎来发展，而必然走一条兼采百家之长的道路；路；从现实来看从现实来看各门学科的大融合，各门学科的大融合，“横断学科横断学科”、“边缘学科边缘学科”的兴起，的兴起，“复杂性科学复杂性

2、科学”的研的研究，科学正在由究，科学正在由“分科之学分科之学”走向综合性的学问走向综合性的学问；从性质来看从性质来看机械学科的综合性来源于制造活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。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。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础学科的联系越来越广泛、越来越密切系统科学等基础

3、学科的联系越来越广泛、越来越密切，而且，原来以为是，而且，原来以为是“风马牛不相及风马牛不相及”的学科，如原的学科，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成了机械学科的“近邻近邻”。机械学科在与这些学科接壤的机械学科在与这些学科接壤的“边区边区”发展交叉学科发展交叉学科，创造新的理论、新的财富和新的辉煌。，创造新的理论、新的财富和新的辉煌。学科交叉学科交叉 现代超精密加工（包括微细加工）发展的前锋已现代超精密加工（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）的经与原子物理学接壤，以分子组装（自装配）的

4、方法制造微型零件。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，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。直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道。在纳米尺度上：在纳米尺度上：新现象、新规律、新困难新现象、新规律、新困难 1.1.量子效应、物质的波动特性、微观涨落；量子效应、物质的波动特性、微观涨落；2.“2.“均匀连续均匀连续”、“各向同性各向同性”以及以及“线性化线性化”等假设不再成立；等假设不再成立；举例举例1 1 微纳制造学微纳制造学 3.3.宏观的物理量，如弹性模量、摩擦系数、密度宏观的物理量，如弹性模量、摩擦系数、密度 、温度

5、、温度等，已失去意义；等，已失去意义；4.4.固体甚至不再具有确定的固体甚至不再具有确定的“表面表面”；5.5.欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不再再 能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律。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！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。学、化学实行学科交叉。举例举例1 1 微纳制造学微纳制造学 现代制造系统现代制造系统高度

6、复杂的系统高度复杂的系统 现代制造系统的复杂性表现在：现代制造系统的复杂性表现在：1 1、固有的非线性，、固有的非线性，2 2、多自律单元的协同行为，、多自律单元的协同行为，3 3、开放性，非平衡性，开放性，非平衡性，4 4、生存在一个随机变化、难以预测的环境中。生存在一个随机变化、难以预测的环境中。5 5、以任何传统的组织结构、运行模式与控制方法都难、以任何传统的组织结构、运行模式与控制方法都难于驾驭！于驾驭！出路出路从生命现象中学习如何组织与运行复杂系统的方从生命现象中学习如何组织与运行复杂系统的方法和技巧。法和技巧。举例举例2 2 仿生制造学仿生制造学“仿生制造仿生制造”新一代制造技术，

7、模仿生物的组织结新一代制造技术，模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程。构和运行模式的制造系统与制造过程。1.1.机械化、自动化机械化、自动化延伸了人类的体力，延伸了人类的体力，2.2.智能化智能化延伸了人类的智力，延伸了人类的智力，3.3.仿生制造仿生制造学习与借鉴人类自身内秉的组织方式与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。运行模式，延伸人类自身的组织结构和进化过程。举例举例2 2 仿生制造学仿生制造学仿生制造的内涵问题仿生制造的内涵问题 向生命科学学习什么向生命科学学习什么 1.1.完善的信息技术完善的信息技术 2.2.由基因控制的生长成

8、型方法由基因控制的生长成型方法 3.3.性能超群的有机材料性能超群的有机材料 4.4.奇妙的生物智能奇妙的生物智能 5.5.先进的组织结构和运行模式先进的组织结构和运行模式 6.6.高效的寻优与趋优方法高效的寻优与趋优方法举例举例2 2 仿生制造学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，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，可归纳为可归纳为4 4个方面个方面:绿色制造、高技术化、信息化、极端制造绿色制造、高技术化、信息化、极端制造 1 1）绿色制造）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面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制

9、定可持续发展规划，推行绿色制造技术。例如，德国制定了发展规划，推行绿色制造技术。例如，德国制定了产品回产品回收法规收法规，日本等国提出了减少、再利用及再生的，日本等国提出了减少、再利用及再生的3R(Reduce3R(Reduce、ReuseReuse、Recycle)Recycle)战略，美国提出了再制造战略，美国提出了再制造(RemanafacturingRemanafacturing)及无废弃物制造及无废弃物制造(Waste-free Process)(Waste-free Process)的新理念，欧盟将颁布的新理念，欧盟将颁布“汽车材料回收汽车材料回收”法规。法规。绿色制造技术不单是从

10、环境出发考虑，而是包括资源、环境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。业的发展提出了严峻的挑战，同时也创造了很好的机遇。2 2 学科进展学科进展 2 2）高技术化）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，给先进制造技术带来了深刻的变化。的迅猛发展，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制造业是高技术的重要载体，

11、而高技术又为制造业前瞻性发展提供了技术支撑。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。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出现了崭

12、新的如纳米制造纳米制造技术及技术及生物制造生物制造技术等制造技技术等制造技术。术。学科进展学科进展 3 3）信息化）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、软件大的、革命性的变化。将传感技术、计算机技术、软件技术技术“嵌入嵌入”制造业，实现产品的信息化与数字化，不制造业，实现产品的信息化与数字化，不仅可以提高其性能，还可使之具有仅可以提高其性能，还可使之具有“智能智能”。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

13、经济全球化的格局下，基于网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柔性与可重组将成为2 12 1世纪先进制造技术的显著特点。世纪先进制造技术的显著特点。中科院中科院创新创新20502050：科学技术与中国的未来：科学技术与中国的未来系列报告系列报告提出：基于泛在感知网络的智能制造系统，泛在制造（提出：基于泛在感知网络的智能制造系统，泛在制造（UbiquitousUbiquitous），无线传感器网络、物联网等。，无线传感器网络、物联网等。学科进展学科进展 4 4）极端制造）

14、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。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、巨系统制造和强场制造和强场(如强能量场如强能量场)制造。例如制造空天飞行器、超大型制造。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

15、备，能的重大设备，制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。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、法等国建造了一批等国建造了一批4.54.5万吨到万吨到7.57.5万吨的巨型水压机，从而迅速提万吨的巨型水压机，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，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纳米技术和微纳系统是2 l2 l世纪高技术的制高点，而微制造则是世纪高技术的制高点，而微制造则是其基础。其基础。机

16、械工程的一个重要前沿领域是探索极端制造规律与应用。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。学科进展学科进展 高档数控机床及基础制造装备关键技术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数字化、智能化设计制造与管理技术 小于小于45nm45nm极大规模集成电路专用设备关键技术极大规模集成电路专用设备关键技术 微米微米/纳米制造技术纳米制造技术 百万千瓦级核电机组设计制造技术百万千瓦级核电机组设计制造技术 流程工业绿色制造与自动化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高速铁路成套装备设计制造技术 绿色制造技术绿色制造技术 深海资源开发装备设计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关键基础件设计制造技术 机器人技术机器人技术未来未来1515年推动我国产业发展最重要的核心技术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重要保障，国民经济高速增长的发动机及国家