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機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2021-2035) 版權信息
- ISBN:9787030705457
- 條形碼:9787030705457 ; 978-7-03-070545-7
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2021-2035) 內容簡介
為了積極應對新時期科研范式變革的新挑戰(zhàn),提高我國基礎科學研究水平和原始創(chuàng)新能力,服務科技強國建設,根據(jù)國家自然科學基金委員會的統(tǒng)一部署,百余位機械工程領域的資深科學家和一線專家學者,堅持“四個面向”,遵循“源于知識體系邏輯結構、促進知識與應用融通、突出學科交叉融合”的科學基金改革原則,歷時兩年戰(zhàn)略研討形成了本書。本書瞄準國家重大戰(zhàn)略需求,密切結合靠前科技前沿發(fā)展,立足機械工程學科基本任務,將學科傳統(tǒng)內涵與創(chuàng)新發(fā)展方向相結合,其內容具有戰(zhàn)略性、前瞻性和引領性。全書共14章,通過對機械工程學科戰(zhàn)略地位和發(fā)展態(tài)勢的分析,確立了未來5~15年的整體發(fā)展布局與優(yōu)先資助領域,系統(tǒng)闡述了其科學內涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,明確了研究前沿與重大科學問題及優(yōu)先發(fā)展方向。
機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2021-2035) 目錄
序
前言
第1章 總論 1
1.1 戰(zhàn)略地位及發(fā)展趨勢 1
1.2 資助現(xiàn)狀 18
1.3 未來5~15年發(fā)展布局 29
1.4 學科發(fā)展的保障措施 36
參考文獻 37
第2章 機構學與機器人 40
2.1 內涵與研究范圍 40
2.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 46
2.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 57
2.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 62
參考文獻 65
第3章 機械驅動與傳動 67
3.1 內涵與研究范圍 68
3.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 73
3.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 87
3.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 93
參考文獻 98
第4章 機械系統(tǒng)動力學 101
4.1 內涵與研究范圍 102
4.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 109
4.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 121
4.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 129
參考文獻 133
第5章 機械結構強度與壽命 135
5.1 內涵與研究范圍 136
5.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 144
5.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 156
5.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 165
參考文獻 169
第6章 摩擦學與機械表面界面科學 172
6.1 內涵與研究范圍 173
6.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 180
6.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 196
6.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 202
參考文獻 207
第7章 機械設計方法學 211
7.1 內涵與研究范圍 211
7.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 218
7.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 234
7.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 237
參考文獻 241
第8章 復雜機電系統(tǒng)的集成科學 243
8.1 內涵與研究范圍 244
8.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 249
8.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 254
8.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 259
參考文獻 264
第9章 生物制造與仿生制造 266
9.1 內涵與研究范圍 266
9.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 271
9.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 284
9.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展方向 288
參考文獻 293
第10章 成形制造科學與技術 297
10.1 內涵與研究范圍 298
10.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 306
10.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 323
10.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 332
參考文獻 337
第11章 高能束與特種能場制造科學與技術 340
11.1 內涵與研究范圍 341
11.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 352
11.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 367
11.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 373
參考文獻 378
第12章 高性能智能化制造科學與技術 381
12.1 內涵與研究范圍 382
12.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 386
12.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 402
12.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 411
參考文獻 413
第13章 機械測試理論與技術 415
13.1 內涵與研究范圍 416
13.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 423
13.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 433
13.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 439
參考文獻 443
第14章 微納制造科學與技術 445
14.1 內涵與研究范圍 446
14.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析 451
14.3 未來5~15年研究前沿與重大科學問題 458
14.4 未來5~15年重點和優(yōu)先發(fā)展領域 464
參考文獻 474
機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2021-2035) 節(jié)選
第1章 總論 Chapter 1 Overview 1.1 戰(zhàn)略地位及發(fā)展趨勢 1.1.1 學科內涵 習近平總書記在2018年兩院院士大會上強調指出:“中國要強盛、要復興, 就一定要大力發(fā)展科學技術, 努力成為世界主要科學中心和創(chuàng)新高地。我們比歷史上任何時期都更接近中華民族偉大復興的目標, 我們比歷史上任何時期都更需要建設世界科技強國!”機械學科是當代制造工業(yè)體系建設與科技創(chuàng)新的重要基石, 它通過對自然科學領域的成果進行綜合利用和轉化, 形成發(fā)明創(chuàng)造各種機械裝備、功能產品及儀器裝置的理論方法和技術體系, 為人類生產和生活、認識和改造世界提供高性能物化產品。機械學科的研究水平直接影響國家科技戰(zhàn)略的實施。 根據(jù)國家自然科學基金委員會的資助體系, 機械學科主要包括12個申請代碼(E0501~E0512), 如圖1.1所示。機器人與機構學(E0501)主要研究機器人等裝備的機構與結構學、運動學、動力學、感知信息學、系統(tǒng)設計等理論及方法, 集成了機械學、力學、數(shù)學、材料科學、信息與計算科學、仿生學、人工智能等多學科的*新研究成果, 是各種現(xiàn)代裝備創(chuàng)新的源泉。傳動與驅動(E0502)主要研究原動機、傳動機和執(zhí)行機等元(部)件的設計、制造和測試, 以及由三者構成的系統(tǒng)的能量轉換、傳遞、分配與運動控制的科學與技術, 決定了機器的效率、運動控制性能、可靠性與服役壽命等。機械動力學(E0503)主要研究機電系統(tǒng)動力學分析方法與動態(tài)性能匹配技術、振動噪聲傳遞機理、機電系統(tǒng)服役性能監(jiān)測、故障智能診斷與預示技術, 是裝備性能提升與質量安全保障的核心基礎。機械結構強度學(E0504)主要研究機械結構在機械載荷以及熱、電、磁、聲、化學等廣義驅動力作用下產生的變形和性能變化的規(guī)律, 以及由此導致的結構破壞和功能失效的時空演變機制, 包括材料、結構和載荷三個要素, 是保障復雜服役環(huán)境下機械產品安全運行的理論基礎。機械摩擦學與表面技術(E0505)主要研究相互運動表面之間的摩擦、磨損和潤滑等相互作用規(guī)律及其實踐的科學與技術, 揭示機械產品和裝備在設計、制造和運行維護過程中發(fā)生在表面和界面處的物理化學現(xiàn)象, 是解決高端裝備精度與可靠性的重要基礎。機械設計學(E0506)主要研究機械系統(tǒng)的工作原理, 構型與造型, 物質、能量與信息的傳遞方式, 對機械系統(tǒng)及零部件進行構思、建模、分析和優(yōu)化, 是決定機械性能*主要與*基本的因素。機械仿生學與生物制造(E0507)主要研究生物模本特殊結構、運行模式、功能原理, 設計制造高性能仿生機械產品或裝備, 或直接利用、改性生物活性組織、生理屬性、機能特性, 制造具有類生物/生命特征的產品或裝備, 是機械工程學科交叉創(chuàng)新的重要途徑。成形制造(E0508)主要研究金屬材料、非金屬材料和復合材料零部件成形制造原理與方法, 包括材料成形、工藝設計、參數(shù)優(yōu)化、控形控性、過程調控及裝備制造中涉及的共性科學問題與應用基礎技術, 是實現(xiàn)復雜零部件高性能精確成形的理論基礎。加工制造(E0509)主要研究通過工具-工件相互作用或使用光、電、聲、熱、化學等能量去除工件材料并獲得高品質加工表面的精密制造原理與技術, 是高端裝備、生物、醫(yī)學、信息、新能源等領域核心零部件制造技術創(chuàng)新的重要理論基礎。制造系統(tǒng)與智能化(E0510)主要研究由新一代信息技術驅動, 具有自感知、自決策、自執(zhí)行等功能的先進制造裝備、系統(tǒng)與模式, 為制造過程的高效性、穩(wěn)定性和安全性提供保障。機械測試理論與技術(E0511)以計量標準理論、測試理論方法、傳感技術及器件、測試儀器系統(tǒng)等內容對象為主體, 綜合運用材料、控制、信息等多學科領域*新成果, 研究機械信息的高效獲取方法與技術, 構建高性能儀器設備, 是定量機械科學研究和精準制造過程控制的基礎。微納機械系統(tǒng)(E0512)主要研究微米、納米特征尺度的器件與系統(tǒng)的設計及制造, 涉及微納器件與系統(tǒng)的設計、加工、測試、封裝與裝備等, 是微傳感器、微執(zhí)行器、微結構和功能微納系統(tǒng)制造的重要科學基礎。 圖1.1 機械設計與制造(E05)學科資助體系 1.1.2 學科戰(zhàn)略地位 在科學技術快速發(fā)展的今天, 世界各國都把提升自主創(chuàng)新能力擺在十分重要的位置, 并以此作為構建國家競爭力的關鍵要素不斷加以強化。科學技術發(fā)展史證明, 基礎研究是科技創(chuàng)新的源頭, 是產業(yè)走向高端的重要基礎。要在科學發(fā)展的主流方向取得有重大影響力的創(chuàng)新成果, 要在產業(yè)尤其是高技術產業(yè)的國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位, 必須高度重視和大力發(fā)展基礎研究, 真正形成以基礎研究為支撐的產業(yè)技術創(chuàng)新體系。 在大國競爭愈演愈烈的新形勢下, 先進制造領域科技創(chuàng)新作為引領制造業(yè)高質量發(fā)展的驅動力, 其作用體現(xiàn)在以下四個方面:① 突破外部制約, 確保中國制造業(yè)基礎支撐行業(yè)、戰(zhàn)略和支柱型產業(yè)發(fā)展自主可控;② 升級價值鏈條, 支撐中國制造邁向價值鏈高端, 在附加值較高的研發(fā)、設計、創(chuàng)意、標準、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)形成核心競爭力;③ 構筑非對稱競爭優(yōu)勢, 促使中國制造在國際競爭制高點擁有更多的制勝產品, 形成中國制造品牌影響力;④ 推進高質量和諧發(fā)展, 創(chuàng)造適合中國國情的先進制造模式, 以綠色、高效支持制造業(yè)持續(xù)發(fā)展, 以智能、優(yōu)質占據(jù)市場優(yōu)勢。在中國大國崛起的時代背景下, 機械學科的戰(zhàn)略地位主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 1)為推動中國制造向中國創(chuàng)造轉變提供創(chuàng)新源動力 機械制造業(yè)是一個國家綜合國力的重要體現(xiàn), 它不僅直接創(chuàng)造價值, 成為社會財富的主要創(chuàng)造者和國民經濟收入的重要來源, 并且為國民經濟、科學研究各個部門, 包括國防、交通、能源、信息等領域的發(fā)展提供先進的設備和手段。我國制造業(yè)規(guī)模世界**, 已建立起門類齊全、獨立完整的制造體系。但我國仍處于工業(yè)化進程中, 制造業(yè)大而不強, 主要表現(xiàn)在:① 自主創(chuàng)新能力弱, 關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高;② 產品質量和附加值不高, 缺乏世界知名品牌;③ 資源能源利用效率低, 環(huán)境污染問題較為突出;④ 利用信息技術改造傳統(tǒng)生產方式和工藝流程的水平較低, 所需的高端工業(yè)軟件和傳感器主要依賴進口[1]。總體而言, 我國仍處于“工業(yè)2.0”(電氣化)的后期階段, “工業(yè)3.0”(信息化)還待普及, “工業(yè)4.0”(智能化)正在嘗試盡可能做一些示范。當前, 全球正處于由“工業(yè)經濟”向“知識經濟”轉變的重要歷史時期, 知識經濟在很大程度上要通過高知識含量的科學技術和產品來實現(xiàn)。隨著發(fā)達國家開展再工業(yè)化以爭奪全產業(yè)鏈, 印度、越南等新興市場國家推進工業(yè)化, 競爭一些低端制造業(yè), 我國發(fā)展高端制造業(yè), 提高產品附加值, 推動中國制造邁向價值鏈中高端, 形成中國制造品牌影響力, 促進中國制造向中國創(chuàng)造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變, 已成為建設制造強國的迫切需求。特別是, 我國要搶抓后疫情時期全球制造業(yè)供應鏈重構和變革的歷史機遇, 推動、扶持、促進制造企業(yè)從追求規(guī)模向細分領域在供應鏈和價值鏈中的主導地位轉變。以核心基礎零部件或元器件、先進基礎工藝、關鍵基礎材料、產業(yè)技術基礎, 乃至核心工業(yè)軟件為重點, 努力實現(xiàn)關鍵環(huán)節(jié)和技術的自主可控, 提升制造業(yè)供應鏈條中的話語權和影響力;順應信息技術和制造業(yè)融合發(fā)展趨勢, 創(chuàng)新制造業(yè)運營模式, 推進核心企業(yè)向整體解決方案提供商轉變, 增強供應鏈應變彈性。 面對國外技術封鎖和專利屏障, 僅僅依賴工程研究幾乎不可能產生超越現(xiàn)狀的重大工程技術的突破。因此, 先進制造領域科學技術研究必須明晰產業(yè)發(fā)展的科技創(chuàng)新需求, 加強基礎研究、前沿交叉研究和基礎性關鍵共性技術(競爭前技術)研發(fā), 著力提升高端制造業(yè)發(fā)展的核心競爭力——創(chuàng)造新功能產品能力、發(fā)明新制造技術能力、突破“卡脖子”問題能力、保證產品“零缺陷”品質能力。通過發(fā)掘新的制造資源、揭示新的制造原理、發(fā)明新的制造技術、構架新的制造模式, 催生變革性技術, 服務國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略, 這是當前我國經濟高質量發(fā)展的大變革中制造學科獨有的作用和戰(zhàn)略地位。 2)為保障制造業(yè)進入價值鏈中高端提供裝備和儀器技術支撐 全球化產業(yè)分工是構建人類命運共同體、促進全球和諧發(fā)展的主流趨勢, 但大國貿易摩擦和科技競爭將呈常態(tài)化, 在影響我國經濟命脈、國家與國防安全的關鍵領域保證全產業(yè)鏈的自主可控, 是確立我國制造大國地位的重要體現(xiàn), 也是在全球競爭中立于不敗之地的底線。制造業(yè)進入價值鏈中高端迫切需要突破高端裝備設計與制造難題。 飛機制造長期以來一直被視為工業(yè)技術進步的重要標志, 輻射面寬、連帶效應強, 在國防安全建設、國民經濟發(fā)展和科學技術進步中發(fā)揮著重要作用。我國目前正在實施新一代戰(zhàn)機、大型運輸機、大型客機等一系列重大航空裝備的研制和批量生產。新一代航空裝備在機動性、負載能力、經濟性和可靠性等方面的要求越來越高, 新型高性能復合材料的用量不斷增加, 覆蓋范圍由非承力件擴大到次承力件, 作為主承力件的金屬結構也呈現(xiàn)大型化、復雜化和高精化的趨勢。如何實現(xiàn)新型飛機結構件的高精度、高效率、低成本制造與裝配已成為航空制造技術發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn), 推動著大型金屬整體結構高精度制造、大型復合材料結構制造、基于3D打印的大型整體構件制造、大型輕質合金薄壁蒙皮/壁板制造、高性能數(shù)字化集成裝配與測試等技術的快速發(fā)展。隨著信息、網(wǎng)絡、人工智能等技術的不斷發(fā)展, 飛機制造技術呈現(xiàn)多元化快速發(fā)展的趨勢, 智能制造在航空制造業(yè)萌發(fā)迅猛生長的勢頭。圍繞高保真虛擬制造場景建模、大規(guī)模多源異構數(shù)據(jù)同步采集、制造設備與工件狀態(tài)智能感知、制造工藝自主尋優(yōu)等關鍵技術, 形成航空制造數(shù)字孿生技術體系, 通過“虛實映射、以虛控實”的制造新模式, 大幅壓縮重大航空裝備的制造周期與成本。 航空發(fā)動機作為飛機的心臟, 它的好壞直接影響著飛機的經濟性、可靠性、使用性能以及作戰(zhàn)性能。在新一代航空發(fā)動機綜合性能的提高中, 材料及工藝的貢獻率為50%以上, 在發(fā)動機減重方面, 材料和制造技術的貢獻率占70%以上。當前, 大涵道比渦扇發(fā)動機性能參數(shù)不斷提升, 總壓比普遍大于40, 涵道比已達10以上, 渦輪前進口溫度已攀升至1900K以上, 部件效率均顯著提升。因此, 必須使用先進的制造技術, 以滿足新一代先進航空發(fā)動機的技術要求。航空發(fā)動機的制造工藝特點主要體現(xiàn)在材料難加工、切除率大、形狀與結構復雜、制造精度與性能要求高。未來我國航空發(fā)動機制造技術的發(fā)展, 既要重視關鍵零部件制造與總裝試車技術, 如風扇/壓氣機、燃燒室、渦輪部件制造等, 又要重視關鍵共性技術的研發(fā), 如精密制坯技術、先進切削技術、新型焊接技術、特種加工技術等, 深入研究航空發(fā)動機先進制造工藝機理, 盡快攻克渦輪葉片精密鑄造, 粉末渦輪盤高效制備, 整體葉盤高效、低成本制造以及修復, 大型寬弦風扇空心葉片制造, 樹脂基復合材料、鈦合金、高溫合金機匣制造等核心制造技術, 支撐航空發(fā)動機全譜系發(fā)展, 引領制造技術跨越, 以更好地服務國家重大工程。 航天技術是服務經濟社會、探索浩瀚宇宙、保障國家安全的戰(zhàn)略性高新技術, 航天制造是生產航天產品的重要基礎。我國將實施在軌服務與維護、月球及深空探測、載人登月等一系列重大航天任務, 航天制造面臨超大機械結構制造、電子信息系統(tǒng)制造等瓶頸問題與挑戰(zhàn), 同時也催生了在軌制造、原位制造等新興前沿方向。未來, 我國航天制造發(fā)展呈現(xiàn)航天地面制造(for space)、太空在軌制造(in space)、地外天體原位制造(in site)三個層次:① 亟須增強航天地面制造基礎。發(fā)展超大構件的極端制造基礎理論與方法, 研究超大構件形性一體化整體成形方法、原位裝配的自重-尺度-剛度效應與裝夾校形原理、多機協(xié)作自尋位“小裝備”制造“大結構”新方法等, 解決超大航天結構件制造超越現(xiàn)有工藝裝備能力極限的問題;聚焦航天電子信息系統(tǒng), 發(fā)展微納制造、近原子尺度制造, 突破高可
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