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机械工程学科前沿综述

发布人: 澳门永利集团888贵宾厅网址 来源: 澳门永利集团888贵宾厅官网 发布时间: 2020-12-19 09:55

  机械工程学科前沿综述 机械工程学科前沿综述 学科前沿 摘要:近年来,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,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,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,前沿,综述 1 引言 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。 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。 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、 减轻以至消除污染作为超经济的目标任务。 2 机械工程学科在各方面的发展 机械工程学科在各方面的发展 2.1 在机械加工技术 方面 的发展 方面的发展 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,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 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 业几乎来自洲、亚洲、欧洲,所占比例高达 99%,显示了三大洲界机械工业发展 中无与伦比的地位。 (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, 将产品销往其他国家; 二是在海外投资建立生产制造, 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,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,使跨 国公司了联合之,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 方面 的发展 机械电子工程 方面的发展 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。 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。 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 方面 的发展 机械工程基础理论方面 方面的发展 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 在机构学方面的发展 机械工程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 在车辆工程方面的发展 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 方面 的发展 人工智能方面 机械工程是传统的工程技术。 机械可以完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,下潜大洋深层,远窥百亿光年,近察细胞和。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。 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。人工智能消除了这个。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发展。 3 我国机械工程科学发展总趋势 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。 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 更重视的、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。 我国制造技术的发展总趋势是基于资源节约和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。 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。 我们必须保持的头脑,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。 总之,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 了铁工程和铁事业的兴起;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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