机械工程学科发展报告（机械设计）

机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、构型、能量传递、运动方式、零部件的材料和几何等进行构思、建模、分析和优化，并将其转化为具体蓝图以作为制造依据的过程。总体来说，其发展经历了直觉设计阶段、理论设计阶段和现代设计阶段三个层次。近现代相继出现了工业造型设计、计算机辅助设计、机械优化设计、TRIZ 理论、绿色设计等现代基础设计方法。同时，机构学及机器人设计、传动机械设计、机械强度与可靠性设计、机床设计、车辆工程设计等工业机械设计学也得到了蓬勃的发展。具体而言，1） 围绕计算机技术的工业创新设计应运而生，其不仅依赖于研发人员的领域知识与创新能 力，而且涉及多学科交叉结合。2）围绕数值模拟开展的一体化建模技术、面向全生命周期的产品数字化设计表达、建模、分析技术、 基于计算反求的数字化建模参量精确识别技术等取得了长足的发展。3）许多学者在多学科和多目标结构优化设计、结构拓扑优化设计领域做了大量工作，并获得了相应的理论与技术成果。4）多种新兴的机械设计理论与 方法被提出并得到了广泛的研究，主要有材料-结构-功能一体化设计理论、绿色设计理论、面向增材制造的创新设计方法等。5） 机构学与机器人的研究进展迅速，在多个领域进行了拓展延伸。中国机构学已经成为国际机构学领域不可或缺的一支力量。6）机械 传动设计朝着高性能高效率传递部件与单元设计、复合传动精密调控设计以及智能结构等三个方向发展。7）机械产品可靠性设计研究逐渐得到重视，其对计算机仿真的应用将持续深入、专业可靠性分析软件的开发有望 突破。8）中高档机床的水平得到持续提升，高档数控系统实现关键突破，功能部件的核心关键技术也被逐渐攻克。机床设计正朝着 “高精度、高效率、复合化、智能化、绿色化、高柔性化和模块化”方向快速发展。9）以新材料、新工艺、新结构为基础的汽车轻量化技术已广泛应用到车辆设计当中，汽车主动和被动安全技术范围也越来越广，现代汽车正逐步朝着智能化、电动化、网联化方向发展。

机械工程学科（机械设计）重大研究进展及研究成果

成果一：折纸机构研究亮点

天津大学陈焱教授领导的团队与英国牛津大学ZhongYou教授合作研究成果“Origami of Thick Panels”发表在 Science 在线。该研究从空间机构运动学的基础理论出发，开创性地提出了全新的厚板折展机构学理论模型。新模型摆脱了原有的折纸运动学模型，创造性地采用空间结构代替球面机构，解决球面机构模型将折展运动铰链约束于同一交点，无法有效实现板厚与折展运动协调的问题。新模型建立了基于过约束空间机构网格的厚板折纸运动学模型；对各种折纸节点分布进行了系统的非线性运动协调分析，得到单自由度的厚板折纸条件，使得零厚度的折 痕分布可以直接应用于厚板折展；通过对多机构网格逆问题的解析，精确地描述了厚板的折展过程，实现了折纸结构与厚板结构运动学的等价，解决了厚板折纸问题。同时该模型将多自由度的零厚度折纸模型转化成单自由度的厚板折纸模型，有效简化了结构的驱动与控制。研究成果可直接用于卫星太阳 能帆板、空间天线反射面、建筑结构，以及 人体自然腔道狭小空间下手术器械折展机构设计等。

成果二：高档机床数字化正向设计

本年度学科的重大研究进展、科研成果

本年度我国科研团队在重型机加工设备的研发方面取得了重大进展，无故障运行时间以达2000小时，且数控系统及其他关键功能部件的精度、可靠性指标已接近国际先进水平，这打破了西方相关设备禁运对我国国防工业的制约，为我国基础制造业的发展提供了有力的装备支撑。随着机床产品的设计、生产技术日趋成熟，我国航空航天领域典型产品所需关键装备实现了从“依赖进口”到“自 主国产”的转变，汽车大型覆盖件自动冲压线 进军海外市场，并将市场占有率提升至 30% 以上。其中，重型磨床和大型旋压机的技术突破最具代表性。西安交通大学联合秦川机床、哈尔滨工业大学等单位，成功研制出国内首个“1500mm 非球面车磨复合机床”，对直径400mm以上工件的磨削面精度优于 5 ( ) m pv µ ，粗糙度小于10 ( ) nm rms ，可满足卫星用光学系统、大型天文望远镜等精密设备研制对高精度大口径光学非球面元件的加工需求，对提升我国精密超精密加工技术水平及装备领域核心竞争力具有重要意义；中国航空工业集团公司研制成功的“100吨级数控强力旋压机”最大成型直径 2.6m，径向定位精度≤0.05mm，径向重复定位精度 ≤ 0.03mm，轴向定位精度≤ 0.04mm，轴 向重复定位精度≤0.04mm，可为航空航天 大型薄壁回转体以及大型压力容器壳体类零 件提供大型数控强力旋压设备与旋压工艺等 全套解决方案，填补我国大型数控强力旋压机的战略空白。

由这些我国自主研发制造的高档数控机床组成的数字化柔性生产线和智能制造车间已成为样板间，将成为未来数字化生产的中坚力量。随着它们的应用推广，我国装备制造业将加速升级换代，有力支撑“中国制造 2025”战略举措落地。

来源：中国机械工程学会