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。

　　仪器校准和量值传递是保证精度的最重要基础，叶声华等发明了空间大尺寸测量的现场校准方法和装置。利用多种靶标特殊几何结构和自身基准尺寸，以及在测量空间内不同位置的量值传递关系作为约束条件，建立了全新的现场校准方法和装置，能够在大范围空间进行高分辨率测微仪现场校准；提出了小分束角渥拉斯顿棱镜和直角棱镜作为反射镜的共光路自适应系统，测量结果稳定性好；在上述基础上，提出了基于机器人的柔性视觉现场误差测量技术，已经用于飞机和汽车白车身的高精度制造误差测量。

　　张书练等以其发明的正交偏振激光器为核心技术，研发了多种精密测量仪器。发明了频差大于40MHz双折射双频激光器；研究发现了双折射双频激光器腔调谐的三偏振特性，以此为原理发明了测量位移的"激光器纳米测尺"。

　　谭久彬、赵维谦等在大型超精密仪器研究方面取得了重要突破。提出了基于自身参照原理的仪器运动基准间误差分离方法，发明了一种新误差分离装置，使仪器基准间的位置精度提高一个数量级以上。提出了差动、超分辨、复色和二次共焦扫描测量方法，发明了基于上述方法的多种共焦扫描测量装置和显微镜，使水平、垂直分辨力达到了亚纳米量级。基于上述超精密核心单元技术已经成功地用在我国航天、国防工业和精密装备制造领域；为我国研制出第一台圆柱度和微小深孔测量仪标准装置，使我国具备了在该领域进行量值传递和溯源的能力。

　　秦树人等在虚拟仪器研究中，提出了"智能虚拟控件"概念和原理，建立了信号变换的统一模型，奠定了这一新型仪器模式的理论基础，并在此基础上研制成功了上千种独具特色的虚拟仪器开发系统和可直接用于组建仪器产品的"智能虚拟控件"产品，已经广泛用于教学和科研测量分析中。

　　彭东林发明的"时栅位移传感器及其测试系统"，是精密测量领域少见的原始创新成果。其主要创新包括：提出了精密位移测量"时空转换"思想，把基于空间刻划的精密位移测量转化为简易精确的时间差测量问题；根据上述思想发明了全新原理的时栅位移传感器，用圆周单刻线实现了任意圆周分度精密测量。时栅角位移精密测量仪器的测量精度达0.8"，由于精度高、成本低、稳定性好，已广泛用于各种数字精密角位移测量。

　　孙宝元等提出了新型压电石英传感器及测量技术，成功解决了机械制造中复杂力学量的测量问题。发现了石英晶体切向灵敏度分布规律、石英晶体扭转效应、多次压电感生效应，发明了系列化压电传感器与测量仪并进入国内外市场；研制成功毫秒级瞬态切削力和瞬态切削温度测控系统，解决了高能化爆材料切削加工难题，为生产安全和产品质量保障作出了重要贡献。

　　2.9加工制造学科领域

　　加工制造学科近年来的发展趋势主要是高效、高精度、低成本、少无污染以及柔性数字智能自动化。

　　郭东明、贾振元、康仁科等提出了硬脆材料复杂曲面天线罩精密制造技术与装备。针对天线罩电性能的特殊要求，建立了天线罩综合电性能误差与几何参数补偿量关系的理论模型。提出了一次安装、自动定心、真空夹紧、精密测量、数据处理、逐点可控、加工一体化的精密修磨技术、专用数控系统和数字化修磨装备，实现了任意点、环、带区域按要求去除量逐点可控数字化微米级精度修磨，解决了国防工程中的一项重大科技难题。

　　宓海青等在高速精密磨削加工领域，提出"四点恒线速法"，使非圆轮廓表面磨削力相差十几倍造成的磨削缺陷得以改善，表面质量明显提高；提出了切点跟踪磨削新方法，将磨削点的运动向法向和切向分别投影，把曲轴连杆颈的磨削转化为典型的外圆磨削，解决了曲拐类零件加工造成的效率低和误差大的难题；创新了工程陶瓷延性域磨削工艺，实现了难加工材料的低损伤高效深磨。工程陶瓷一次性进给切深达6mm，材料切除率大于120mm3/s*mm，磨削比大于1670，被磨削工件微裂纹深度小于10pm和无微裂纹。

　　段正澄、邵新宇等在曲轴磨削研究中，发现高速切入磨削端面时，冷却液无法到达磨削区，不满足"薄膜沸腾"理论的适用条件，提出了磨削表面烧伤的形成机理、理论模型、参数优化及控制策略，解决了磨削烧伤的难题。提出了基于被磨削点恒线速运动的凸轮磨削运动方程和非圆柱表面轮廓曲线跟踪插补技术，有效提高了磨削轮廓精度。

　　2.10超精密加工领域

　　微电子、科学工程、国防装备和科学技术的迅速发展，对超精密加工技术提出了新的要求，超精密加工方法和装备不断涌现，加工精度不断提高，有的已经进入了亚纳米或原子级精度。

　　亚纳米级超精表面抛光技术是电子制造中的一项关键技术。雒建斌、路新春、潘国顺等[9]在计算机硬盘基片表面超精化学机械抛光(Chemicalmechanicalpolish,CMP)研究中，提出了超精表面纳米粒子的行为机制，发现了化学与机械作用均衡规律，探索出硬盘基片超精表面新型CMP技术及先进的抛光工艺，使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0.1nm；在计算机磁头表面亚纳米级抛光方面，首次将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光，解决了抛光液中纳米颗粒分散、改性等技术难点，开发出纳米金刚石抛光液及抛光工艺，使磁头表面粗糙度由原工艺的0.48nm降到0.2nm以下，并去除了划痕、黑点等缺陷。上述超精抛光技术已成功地用于我国电子制造企业。

　　董申等围绕学科前沿和国家重大需求，在超精密加工领域进行了系统高水平研究，研制成功多台国际先进水平的高精密加工装备。在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作，目前成功开发多台超精密切削加工专用设备，并已用于激光核聚变关键零件KDP晶体的超精密加工。提出了大气低温等离子体超精密超光滑抛光加工方法，针对单晶桂片的加工试验获得了1.46mm3/min的材料去除量和凡=0.6nm的表面粗糙度，实现了重要零件的亚纳米级化学去除无损伤抛光。

　　李圣怡等在国内率先突破了离子束和磁流变光学抛光技术，建立了磁流体和离子束等可控柔体介质抛光的基础理论，揭示了磁流变和离子束抛光状态下纳米精度表面的形成机理和亚表面质量的变化规律，形成了一整套光学镜面全波段误差控制的工艺路线。2006年研制成功磁流变和离子束抛光设备，可稳定实现平面、球面和非球面镜面形精度方均根(Rootmeansquare,RMS)纳米量级的加工。戴一帆在大型光学零件子口径拼接测量方面的研究取得突破，成功研制了子口径拼接测量工作站，可实现700口径平面及非球面镜的测量。

　　北京机床研究所研制的NAM-800型纳米数控车床是新一代纳米级加工机床，控制系统分辨率为5nm、定位精度为±0.2叫/400mm、重复定位精度为±0.1^m/100mm。北京航空精密机械研究所研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统。

　　2.11表面功能结构领域

　　机械表面功能结构是机械工程学科的新生长点。表面功能结构按功能可分为：粘附表面结构、控制生命物质活动的表面结构、超疏水自洁表面结构、脱附降阻表面结构、疏水减阻表面结构、储油润滑表面结构、仿生降噪表面结构、光信息传输表面结构、光电转换表面结构、人工结构色表面结构、强化传热表面结构、催化反应表面结构等。

　　周明等利用飞秒激光加工技术在K9玻璃表面制备光栅结构，并用流变仪证实了微结构表面滑移的存在。与光滑表面相比，超疏水表面具有明显的减阻效果，且减阻效果与流体粘度有关；采用飞秒激光的方法，在液态光敏树脂中成功制得二维正方晶格光子晶体及波导，同时制备了品质较高的三维木堆型光子晶体。

　　汤勇等采用大刃倾角多齿状新型刀具同时切出多条金属长纤维，并以此纤维为原料，利用烧结工艺制成一种新型高孔隙率大孔径的金属纤维烧结板。该烧结板内部表面具有多茸状粗糙形貌特征，具有高比表面积，这种金属纤维烧结板在甲醇水蒸气重整制氢反应器中得到成功应用。

　　2.12设计学领域

　　复杂机电系统及产品、大型重要装备等的自主创新设计、虚拟仿真设计的理论、方法与技术，是近年来机械设计的重要方向。

　　谭建荣等[10]针对多样性、个性化的定制产品中如何实现千变万化的设计难题，提出并实现了产品配置、变型、进化和递归4项设计技术，实现了将复杂机电产品模糊定制需求转变为产品信息模型的功能定制设计。提出了工程过渡状态、模糊状态、随机状态建模与数字样机集成的仿真设计技术，提出了分数维、整数维、高维相结合的混合维设计建模方法，有效提高了基于数字样机设计的可信度和可用度。

　　圆弧剪刃滚动式剪切机是中厚板剪切重要装备，以前一直是国外装备垄断市场。黄庆学等[11]提出了新型滚切剪非对称曲柄机构设计原理，设计发明了性能优越的中厚板剪切装备，自主设计制造的产品颇具市场竞争力，打破了国外产品的垄断局面。

　　在密封技术领域，王玉明等设计发明了双环带螺旋槽端面密封、双列双叶螺旋槽端面密封以及浮环一螺旋槽组合端面密封，使防颗粒性能、停车密封性能、密封平衡比等性能得到明显改善。

　　谢友柏提出了创新设计过程的核心是知识获取过程的观点。针对现代设计对分布式资源环境依赖性问题，提出了建立在分布智力资源环境基础上的现代设计理论和方法。建设了教育部现代设计与制造网上合作研究中心，支持企业在互联网上合作设计。

　　滕弘飞针对航天器方案设计中解的组合爆炸及多学科设计约束满足等复杂性问题，提出了基于人智一图形一计算的航天器布局设计方法，为航天器等一类大型、高维、动态复杂工程系统方案设计的建模、求解提供了有效方法。

　　韩旭提出了基于计算反求理论的高精度数字化模型的建模方法，提出了适合于复杂装备的结构优化设计技术，应用于高速磨床、汽车零部件的结构优化设计等工程。

　　檀润华等在发明理论TRIZ等方面进行了系统研究，提出了多冲突的定性和定量分析方法与领域解转化技术，归纳了产品创新模糊前端中创新设想4种产生模式。

　　2.13成形制造领域

　　高效、精密、清洁、极端尺度成形制造、数字化、智能化和自动化成形制造仍然是其主要发展方向。

　　快速原型制造(Rapidprototypemanufacturing,

　　RPM)是传统制造向多学科交叉和数字化现代制造发展的最具代表性制造技术。卢秉恒、颜永年、黄树槐等分别对光固化(Stereolithographyapparatus,SLA)、薄材制造(Laminatedobjectmanufacturing,LOM)、丝材溶覆(Fuseddepositionmodeling,FDM)、粉材烧结(Selectedlasersintering,SLS)等[12]方法进行了深入研究，推动了快速成形学科的形成和发展，并在短期内形成了我国的自主技术，应用到汽车、医疗康复工程、农业节水器件等领域，推动了新技术的产业化。

　　针对中高档汽车外覆盖件模具大部分依赖进口的现状，钟志华、李光耀等[12]在汽车覆盖件模具成形理论和技术领域，建立了相对完整的接触碰撞过程仿真理论和方法体系，解决了汽车碰撞安全性和车身冲压工艺分析计算中的共性技术问题。提出了能方便处理接触碰撞过程中大变形畸变的无网格计算格式，在国际上较早实现了三维复杂体积成形过程的无网格仿真。提出了模具冲压成型过程中斜拉延筋新工艺；基于碰撞理论，创建一套从冲压过程数字仿真建模，CAE冲压分析，冲压工艺设计、优化及工艺试验，模具参数优化、到模具结构的设计制造，形成了基于CAD/CAE/CAM-体化的拥有自主知识产权的关键技术与装备，已应用到多家汽车和模具企业，打破了国外对大型覆盖件模具技术垄断的局面。

　　林忠钦等在车身冲压成形过程建模与质量控制研究中，提出了基于相变对材料性能的宏微观耦合的材料本构模型;提出了基于变压边力控制技术，实现成形过程中金属流动的精确控制，建立了高强度钢汽车板精益成形技术体系。大型覆盖件平均废品率由原来5%降到0.5%，促进了国产钢板的广泛应用。

　　胡平考虑了板材在成形过程中的厚度变化，发展了一套更为精确的材料成形分析方法，并开发出相应软件，对国外商用软件进行了二次开发，在工程应用方面取得了良好效果。

　　多场耦合下温度、速度效应与协调控制是大型铝型材等温挤压精确成形过程中迫切需要解决的难题。杨合等采用仿真建模和物理试验相结合的方法，揭示了大型铝型材挤压速度对挤压过程及其温度场变化、挤压速度随挤压行程降低的影响规律；提出了通过控制速度逐段减小实现大型铝型材等温快速挤压过程的技术路线，以及基于大型铝型材挤压过程三维热力耦合有限元建模仿真技术，从而解决了大型铝型材挤压中温度速度效应及协调控制等重大难题，为我国100MN和125MN油压双动铝挤压装备成功研制做出了重要贡献。

　　内高压成形是一项典型的高效、节能、节材、短流程工艺。苑世剑等[13]系统地提出了内高压成形基础理论和工艺关键技术：建立了壁厚分界圆和塑性起皱临界应力理论模型，揭示了成形的缺陷形成机制和壁厚分布规律，发明了"有益皱纹"预制坯和降低成形压力方法，提出了超高压增压器及数字控制等核心技术，成功地研制了国内首台生产用自动化三轴数控内高压成形装备，研制生产了轿车底盘前梁、副车架、排气管件、火箭接头、"神七"舱外服通风管等零件，并在工业生产中得到大批量应用。

　　李明哲研究组对柔模成形的基本理论与实用技术进行了系统研究。在基础理论方面，建立了系统的板材柔模成形理论，提出了分段成形、多道成形、反复成形、闭环成形等柔模成形新工艺，解决了北京奥运会鸟巢建筑中大型钢板弯扭结构件成形的技术难题，并实现了舰艇外壳、高速列车流线型车头覆盖件、颅骨修复体、建筑装饰件、飞机蒙皮以及多种军工产品的多点快速成形，柔模成形设备已出口国外。

　　华林等在环件精密成形研究中，提出了环件轧制咬入孔型、塑性锻透和刚性稳定力学模型，揭示了环件轧制变形的物理机制；确定了环件轧制力、力矩的匹配关系，建立了轧制力能匹配设计方法。提出了环件轧制自激振动力学模型和稳定性条件，揭示了轧辊加工误差、安装误差以及弹性变形对环件精度的影响规律，提出了其精度补偿及在线检测控制方法。应用体积成形理论，发明了滚碾及摆碾设备，成功应用于轴承套的冷压精密成形，大大提高了成形件的强度及制造效率。

　　在激光电弧复合焊接领域，刘黎明提出了一项重要的原创性的焊接技术。他发现了低功率激光诱导电弧等离子体能量增强、积聚的现象及规律，发明了控制和增强激光诱导、增强、激励电弧的关键工艺，提出了基于能源节约型低能耗激光增强电弧复合焊接技术，开发了低功耗激光增强电弧复合焊接集成装备，及配套焊接材料制备工艺及专业设备。2.14高能束加工领域

　　加工尺寸及环境的极端化、加工方法交叉融合、加工技术的精密、高效及数字自动化是其主要研究方向。

　　中科院力学所研制出生产优质冷轧板带所必须的轧辊毛化新技术一YAG激光毛化轧辊技术，在世界上首次实现YAG激光毛化技术成功用于规模生产，该技术核心发明点是研制出特殊声光开关调制技术，使相同功率的YAG脉冲激光器毛化轧辊的频率和毛化粗糙范围提高数倍，提高了轧辊使用寿命。YAG激光毛化技术已成功用于我国各类优质冷轧板生产。

　　姜澜在飞秒激光加工有机材料的研究中，引入量子力学理论，揭示了离子云对激光的聚焦作用，预报了加工出平底沟的可能，得到试验验证，受到国际学术界关注。

　　李力钧、陈根余等发明了一种切割焊接用折叠式准封离型高光束质量千瓦级C〇2激光器，首次实现国产激光器和成套设备应用于汽车白车身的激光焊接和国产大功率高光束质量激光器出口。

　　张永康等在基于强激光冲击波力学效应的非传统制造与表面强化研究中，提出了金属板激光冲击无模/半模成形的方法，研制了重复频率千兆瓦钕玻璃激光器和激光冲击成形系统，实现了难成形金属薄板的激光冲击小曲率半模成形；提出了激光冲击强化效果无损检测方法和膜基界面结合强度的激光划痕测量方法与理论，构建了激光划痕测试系统。

　　华中科技大学发明了一种新型实用的金刚石圆锯片激光焊接系统、提出了基体及刀头的过渡材料的可焊性、烧结工艺及焊接工艺，研制了适合锯片焊接的激光焊接系统，产品远销欧美。

　　黄传真等在硬脆材料的高压磨料水射流切割加工、表面铣削加工、微细磨料水射流精密加工机理及抛光技术、磨料水射流混合管流场仿真等方面开展了系统研究。建立了单磨料粒子脆性断裂和塑性剪切冲蚀动能模型，提出了工件材料脆塑转变冲蚀动能临界条件，研制成功了精密微磨料水射流加工系统，其抛光表面粗糙度可达凡29nm。

　　2.15微纳制造领域

　　目前微型机械系统(Micro-electromechanicalsystems,MEMS)发展的主要趋势是工程性能优化、智能系统集成、批量低成本；纳米制造主要研究方向是尺度效应、材料加工方法、纳米结构及系统的制造。

　　在微纳系统设计方面，苑伟政等提出了支持任意流程的MEMS集成设计工具，可为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计，支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析。

　　北京大学在硅基MEMS技术研究中，提出三套标准工艺流程，突破了高深宽比硅刻蚀、微结构键合强度检测、应变电阻杂质分布、薄膜应力控制等难题，建立了高水平的硅基MEMS加工平台。上海交通大学研究了非硅多层复杂微结构加工技术等，并应用于化学传感器、生物医学分析器件中。

　　中科院上海微系统所等发明了多层硅微机械结构一次成形技术、干法刻蚀积累电荷释放和可动结构保护技术和圆片级封装新方法，形成了基于单硅片结构的双面体微机械压阻传感器制造工艺、建立了集MEMS芯片制造和封装于一体的技术平台。

　　李勇等针对喷墨、喷丝、喷液和喷雾构件的微加工，提出了微细冲压加工和微细电火花加工交叉结合的微细阵列型孔复合加工工艺，加工出截面形状为三角形、最小喷口尺寸60pm量级的喷丝头，目前正在开发面向汽车喷油嘴的批量微细电火花加工工艺与设备。

　　哈尔滨工业大学提出了微塑性成形工艺，制造出微型齿轮和钟表延时机构；采用微细电火花加工技术，提出了微喷批量加工工艺与设备技术。厦门大学提出了具有原创性约束刻蚀剂层技术，实现了对硅、砷化镓和金属(Cu、Ni、Al、Ti)的三维刻蚀加工。尹韶辉在微小非球面模具的超精密磨削及纳米研抛加工方面取得重要进展，并已获得初步应用。

　　王立鼎、刘冲等研制了具有自主知识产权的塑料微流控芯片自动化制造装备，进行了微结构热压成形金属模具的制作、微流控芯片制作工艺以及芯片质量检测技术等方面的研究，掌握了芯片批量制作的关键技术。

　　2.16纳米加工领域

　　中科院上海微系统所将干法刻蚀工艺与湿法腐蚀工艺有机结合，研制出纳米梁、桥、探针、纳机电谐振器结构等。哈尔滨工业大学、天津大学开展了纳米加工技术研究，如阳极氧化、热烧蚀、机械刻蚀等，董申等采用原子力显微镜(Atomforcemicroscope,AFM)机械耕犁加工方法，加工出多种复杂纳结构。周明等在飞秒激光生物分子纳米加工、黄文浩等在飞秒激光微细光成型加工领域取得了重要进展。

　　卢秉恒、丁玉成等[14]提出了常温软压印下"保压一释放一固化"的纳米压印工艺，发现了阻蚀胶与模具液一固界面、固一固界面特性对模腔填充质量及其脱模效果的影响规律，实现了50nm线宽的纳米压印，具有良好的复型保真度。

　　中科院物理所成功研制出具有对称式机械结构的双探针扫描隧道显微镜(Scanningtunnelingmicroscope,STM)探头，并通过主动降噪技术大大提高了STM系统的信噪比；研制成功超高真空低温(变温)强磁场双探头STM与分子束外延联合系统，并应用于实际。

　　史铁林、刘胜等开展了MEMS动态特性测试技术研究，研究了纳米级测量分辨率的平面运动估计算法、三维耦合运动测试理论、基于傅里叶变换和时间平均干涉图像分析方法，以及微结构杨氏模量间接测量技术，研制出了具有自主知识产权的MEMS频闪干涉视觉三维测试设备。

　　张文栋、刘俊等研制了基于拉曼光谱的圆片级微结构应力测试平台，完成了静态应力和动态应力的测试。中科院上海微系统所研制出基于原子力显微镜的微纳力学测试设备，制备了具有一定弹性系数范围的探针，结合研发出的微区力学特性、参数提取算法和SPM平台固化软件技术，实现了微力和微位移下的微区力学性能精确分析[1]。

　　3机械工程科学发展总趋势

　　在机械工程科学方面，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：中国机械工程的理论、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；中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。总体上中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。

　　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。

　　由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。

　　4机械学发展展望

　　(1)机构学是机械工程学科中最有代表性的学科之一。机构学研究一方面应注重机构学基础理论研究，以使我国在国际机构学界保持优势地位，另一方面应注重与制造和控制的学科交叉，在设计理论和关键技术两个方面同时取得突破，以开发出性能优良新机构和新装备。航空航天器、机器人机构、纺织机械、工程机械、微纳机构、仿生机构等工程中存在大量机构问题，机构学大有用武之地。

　　(2)摩擦学研究自20世纪90年代起有了长足发展，其基本经验是与纳米、生物、计算机以及与工程问题的交叉结合，发展了纳米摩擦学、生物摩擦学、表面减阻及亚纳米抛光技术等。今后的发展是进一步向学科面更宽的交叉方向一界面机械与制造科学、纳米制造摩擦学和纳米生物摩擦学方向发展。此外，中国摩擦学领域的青年学者应当进一步加强在国际学术界的影响，争取在国际学术界占有更重要的位置。

　　(3)机械动力学研究中，非线性动力学、复杂机电系统动力学分析和故障监测等领域已经有了很大的进展，但复杂系统及多场耦合的非线性动力学分析建模和故障预示监控依然是个国际性难题，大型复杂机电系统动力学设计仿真、微纳系统动力学分析及设计是我国学术界面临的重要前沿课题。

　　(4)机械设计学，目前我国制造业中高端技术装备中自主产权的产品少，现有机械设计理论、方法和技术落后是其重要原因，急需重点推动我国装备设计技术的发展。要重点推动复杂机电系统的概念设计、复杂系统总体设计、设计支撑系统(设计数据、知识和信息平台)、基于网络的系统性能仿真虚拟设计等领域的理论、方法和技术的发展。

　　5制造科技发展展望

　　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。未来飞机将进一步向大型、快速、轻型、舒适性、安全性方向发展；用于国防的各种飞行器，将向超快、精确、轻微及智能监控方向发展。高速、精确、智能化微型飞行器技术；微小制导技术；超低温、超真空、无重力极端条件下的装备设计与制造科学技术、智能作业机器人、超大型射电望远镜、适于高压腐蚀环境作业的深海装备的设计与制造技术等将得到大的发展。

　　(2)先进电子及通信制造科技。未来20年内，量子、纳米或商业基因计算机将问世。无线网络技术、网络光通信技术，卫星通信技术，基于网络的虚拟制造技术，非硅、量子、纳米、基因计算机芯片及其后封装科学技术将有大的发展。产品信息化和数字化；将传感、计算机及软件技术"嵌入"产品，实现产品的数字化和智能化；产品设计制造过程的数字化、虚拟化、网络化与智能化。例如数字智能轿车可以自动优化和选择路径、自动避撞和随时报告运转的状态和可能发生故障的时间和部位；数字智能柔性制造单元或系统能实现零件自主智能装卸、加工、检测和故障维护。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来越普遍，而且更新换代会越来越快。

　　(3)微纳米制造科技。从将纳米尺度器件发展到纳米尺度产品的批量纳米制造将是今后20年纳米制造领域的最大变化。纳米机械学、纳米尺度和精度器件的设计、制造、测量及装配科学技术；具有批量生产工艺的"自下而上"的生长型和"自上而下"的去除型以及前两者相结合的混合型制造技术将得到很大发展[14]。

　　(4)新能源装备制造技术。由于一次能源将逐步枯竭，核能、深海能源、再生能源及清洁能源的研发和使用将大大促进该领域制造技术的发展。核能工艺及装备、深海能源探测及采掘工艺及装备、新能源和再生能源的装备制造、基于新能源的经济型汽车发动机及车辆设计与制造技术研究将得到更大重视和关注。

　　(5)绿色制造科技。即基于资源节约和环境友好的绿色可持续性制造，是一项战略性制造理念、制造模式和制造技术。绿色可持续性制造包含无污染无废弃物制造、绿色产品的设计与制造、废旧机电产品的再制造、节能节材制造以及新能源装备制造五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐减少或

　　消亡，相反，新能源、节能节材和无污染机电产品及其生产过程将得到更大发展。电动汽车和燃料电池汽车如果能突破电池材料和低成本制造两大瓶颈，将会实现车辆业改朝换代的大革命。由于废弃产品的海增，再制造业将得到迅速发展。

　　(6)仿生制造科技。由于生物制造技术的发展，仿生人或动物器官开始用于临床；仿生机械、机器人更普遍地进入人们的生活。仿人器官制造技术、仿生机电系统，如仿飞禽类飞机、仿动物机器人、智能机器人制造技术将有大的发展，与此相关的仿生机械学及仿生制造科学的深入研究是此项领域得以突破的关键。

　　(7)光子制造科技。研究表明，未来以激光为基础的光子学将超越电子学。激光由于所具有的准确性、高能量密度和可传输变换等其他任何能源无法比拟的突出优点，被誉为"未来制造系统的共同加工手段"，包括光子加工制造、激光加工、光化学加工、光电加工技术。其中强激光、飞秒皮秒激光加工、微纳尺度光子制造技术及科学是该领域的重点发展方向。

　　(8)数字装备制造科技。数字化制造装备包括极大极小尺度、高效率、高精度的智能数字化加工装备以及各类精密仪器和复杂机械系统。机械装备是机械制造工程和产业得以实现的工具和依赖，是我国由制造大国走向制造强国的重要标志。涉及相关工程重要需求和学科交叉的关键装备及仪器设计理论与方法、创新制造工艺技术以及基于网络的智能数字化控制理论是需要重点突破的科技问题。

　　6结束语

　　我国机械工程科学虽然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。

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