機(jī)械學(xué)科前沿

1、一、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科形成的歷史機(jī)械設(shè)計(jì)是專為工業(yè)生產(chǎn)所運(yùn)用、具有明顯的技術(shù)特征,而又形 成體系的一門學(xué)科，在18世紀(jì)工業(yè)革命以后的一段時(shí)間才被確立起 來(lái)。英國(guó)人斯密頓（SeatonJ），紐可門（Newcomen,T）,發(fā)明的各種功 率的蒸汽機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，寫出許多實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并整理出一套計(jì)算公 式。瓦特（Watt,J），就是在他工作的基礎(chǔ)上，先后于1756年和1782 年研制出新一代的蒸汽機(jī)。機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)歷了反復(fù)多次的失敗,才逐步 積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)，形成完整的體系。兩百多年前的個(gè)體手工勞動(dòng)的生產(chǎn)方式，現(xiàn)在已由大規(guī)模的機(jī)械 化、自動(dòng)化生產(chǎn)所代替。過去，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，完全依賴于勞動(dòng)

2、者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和手藝，而現(xiàn)在已經(jīng)可以做到由電子計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程 進(jìn)行自動(dòng)的適應(yīng)性控制，使得產(chǎn)品成量好、成本低。人類在自己的生 產(chǎn)活動(dòng)中，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和采用最新的科學(xué)技術(shù)來(lái)推動(dòng)生產(chǎn)向前發(fā) 展。同時(shí)，在發(fā)展生產(chǎn)的過程中，又不斷向科學(xué)技術(shù)提出新課題。這 一切必然反映于機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展過程。二、機(jī)械設(shè)計(jì)的形成階段第一階段，設(shè)計(jì)公式進(jìn)行的經(jīng)典設(shè)計(jì)階段。機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)主要在 歐美各國(guó)進(jìn)行，設(shè)計(jì)主要是依據(jù)經(jīng)典設(shè)計(jì)公式的組合進(jìn)行。力學(xué)各分 支的發(fā)展，加上在機(jī)械制造中積累的豐富經(jīng)驗(yàn),為機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)、 試驗(yàn)和理論研究奠定了基礎(chǔ)，確立了基本觀念，形成了基本體系，也 做了不少基礎(chǔ)性的工作。第二階段，以經(jīng)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，

3、第二次世界大戰(zhàn)中和戰(zhàn)后 （1940 一 1960年）。是機(jī)械工業(yè)在數(shù)量方面擴(kuò)大生產(chǎn)的時(shí)代，主要 在美國(guó)。這一階段的機(jī)械設(shè)計(jì)，主要是通過實(shí)機(jī)或模型試驗(yàn)獲得基本 數(shù)據(jù)，然后以此進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)可分為機(jī)能設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩大 方面。以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為例，它應(yīng)兼顧三個(gè)方面內(nèi)容：（1）以彈性力學(xué)為 基礎(chǔ)的彈性設(shè)計(jì)；（2）以屈曲等塑性破壞為對(duì)象的極限設(shè)計(jì)；（3）基 于安全壽命預(yù)測(cè)、許用損傷限度等的疲勞設(shè)計(jì)。第三階段，以靜態(tài)解析為主的理論設(shè)計(jì)，這個(gè)階段（1960-1980年）是 機(jī)械設(shè)計(jì)由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入理論設(shè)計(jì)的發(fā)展階段。1960年以后，在機(jī)械 生產(chǎn)數(shù)量增加的同時(shí)，要求提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)機(jī)械性能，出現(xiàn)了應(yīng) 用 液壓

4、技術(shù)、電子技術(shù)等系列設(shè)計(jì)。第四階段，以動(dòng)態(tài)解析為主的理論設(shè)計(jì)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代， 由于機(jī)械生產(chǎn)日益向高速、高效、精密、輕量化和自動(dòng)化的方向發(fā)展， 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對(duì)機(jī)械的工作性能也要求越來(lái)越高。為使機(jī)械安 全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜、動(dòng)特性。另一方面， 人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，機(jī)械振動(dòng)和噪聲損害操作者的身心健康， 成為亟待解決的社會(huì)問題。為此，由靜態(tài)解析為主的設(shè)計(jì)開始向動(dòng)態(tài) 解析轉(zhuǎn)移，以滿足機(jī)械靜、動(dòng)特性和低振動(dòng)、低噪聲的要求。三、未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)21世紀(jì)以前，科學(xué)與技術(shù)著重于認(rèn)識(shí)自然世界，不斷提高人類 生存能力；21世紀(jì)科技將更多地著眼于認(rèn)識(shí)人類自身，不斷提高人 的

5、生命質(zhì)量。在21世紀(jì)里，就制造業(yè)來(lái)講，發(fā)明和發(fā)展了汽車、機(jī)床、機(jī)器 人、飛機(jī)、火箭、芯片、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等成千上萬(wàn)的機(jī)電產(chǎn)品， 極大地改變了人類的生產(chǎn)方式和生活方式展望未來(lái)，21世紀(jì)將更加偉大、更加輝煌。制造業(yè)將出現(xiàn)更多 意想不到的奇跡。生產(chǎn)的汽車不僅會(huì)跑，可能還會(huì)飛；制造的飛機(jī)將 更快、更安全；高速列車和磁懸浮列車將飛馳在祖國(guó)的原野；智能儀 器裝備和智能機(jī)器人將按照人們的要求高效率、高質(zhì)量地制造產(chǎn)品； 微型機(jī)器人將能進(jìn)入血管清理“垃圾、修補(bǔ)心臟；人們可用分子組裝 技術(shù)組裝出理想性能的微器件；掌上工具可能是計(jì)算機(jī)、可視電話、 電視、音響和網(wǎng)絡(luò)的集成，等等。未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)將是交叉、

6、綜合化；柔性、集成 化；智能、數(shù)字化；精密、微型化；高效、清潔化。智能機(jī)器人及儀 器設(shè)備、微型機(jī)電系統(tǒng)、高效柔性、智能自動(dòng)化制 造技術(shù)將日趨成 熟，并被市場(chǎng)所接受；可重構(gòu)制造系統(tǒng)的理論與技術(shù)和適合我國(guó)的制 造模式將得到完善和發(fā)展；在機(jī)構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、仿生機(jī)械和仿生制 造等領(lǐng)域我國(guó)將進(jìn)入世界先 進(jìn)行列；我國(guó)科學(xué)家問鼎諾貝爾獎(jiǎng)將不 是天方 夜譚。制造業(yè)在制造科學(xué)技術(shù)的武裝下將全面現(xiàn)代化，國(guó)家 由于制造業(yè)創(chuàng)造的財(cái)富而更加呂盛繁榮。人民的生活將更加富裕瀟 灑。信息科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、納米科學(xué)、管理科學(xué)和制造科 學(xué)將是改變21世紀(jì)的主流科學(xué)，由此產(chǎn)生的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改 變世界。與以上領(lǐng)域交叉發(fā)展

7、的制造系統(tǒng)和制造信息學(xué)、納米機(jī)械 和納米制造科學(xué)、仿生機(jī)械和仿生制造學(xué)、制造管理科學(xué)和可重構(gòu)制 造系統(tǒng)等是21世紀(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)的重要前沿。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)得到了很大的發(fā)展，我們已 經(jīng)建立了較完善的學(xué)科體系，在學(xué)科前沿、技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用諸 方面取得了突出成就。新技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，使得被人們稱作“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械制 造業(yè)不斷涌現(xiàn)新的希望，喚發(fā)新的活力。從起初規(guī)模型、成本型 到“質(zhì)量型，再到現(xiàn)在的快速響應(yīng)型無(wú)不展示其適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，求 生存、求發(fā)展的勃勃生機(jī)。圍繞著以滿足個(gè)性需求為宗旨的新產(chǎn)品開發(fā)與競(jìng)爭(zhēng)，一場(chǎng)以大制 造、全過程、多學(xué)科為特征的新的制造業(yè)革命正波瀾壯闊地展開。這 是二

8、十一世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)新時(shí)代下制造業(yè)的趨勢(shì)，同時(shí)也預(yù)示著其未來(lái) 的可持續(xù)發(fā)展方向一一全球化、信息化、智能化。四、我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)發(fā)展總趨勢(shì)在機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)方面，我們雖然已經(jīng)取得了矚日的創(chuàng)新及進(jìn)展， 但必須清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)總體上還處于落后狀態(tài)。主 要體現(xiàn)在：我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論、方法和技術(shù)對(duì)中國(guó)制造業(yè)的自主創(chuàng) 新和發(fā)展的貢獻(xiàn)不顯著；我國(guó)學(xué)者提出的機(jī)械領(lǐng)域的新概念、新理論 不多；有重要國(guó)際影響的機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)不多；國(guó)際機(jī)械 領(lǐng)域?qū)W術(shù)界有較大影響的中國(guó)學(xué)者很少。總體上我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)領(lǐng) 域在國(guó)際上的地位滯后于中國(guó)制造業(yè)在國(guó)際制造界的地位。未來(lái)機(jī)械 設(shè)計(jì)學(xué)科的發(fā)展將主要受到兩方面的制約和

9、推動(dòng)，一個(gè)是制造業(yè)的創(chuàng) 新發(fā)展，另一個(gè)是學(xué)科的演變進(jìn)步。鑒于未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)是 全球化、信息化、綠色化、知識(shí)化和極端化（以下簡(jiǎn)稱“五化”）。機(jī)械 設(shè)計(jì)科學(xué)的基本任務(wù)，就是為制造業(yè)的“五化”提供所需求的機(jī)械系統(tǒng) 新理論、新方法和先進(jìn)制造技術(shù)。由于我國(guó)未來(lái)將大力推進(jìn)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)儀器及裝備 技術(shù)，因此，基于自主創(chuàng)新的高技術(shù)儀器及裝備的設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)研究將得到更充分地重視和更快地發(fā)展；此外，由于21世紀(jì)我國(guó)資源 和環(huán)境面臨空前的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求機(jī)械與制造科學(xué)比以往任何時(shí)候更 重視環(huán)境的保護(hù)、產(chǎn)品的安全性和綠色度、材料和能源的節(jié)省、機(jī)電 裝備的再制造以及新能源制造領(lǐng)域的研究。我國(guó)制造技術(shù)的

10、發(fā)展總趨勢(shì)是基于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)上 的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化、智能集成化、高效精確化及極端制造化技術(shù)。采用德 爾菲調(diào)查方法及研究分析，未來(lái)我國(guó)將要重點(diǎn)發(fā)展的制造科技主要有 以下8個(gè)領(lǐng)域。空天及深海裝備制造科技。先進(jìn)電子及通信制造科技。微納米制造科技。新能源裝備制造技術(shù)。綠色制造科技。仿生制造科技。光子制造科技。數(shù)字裝備制造科技。我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但與國(guó)際先進(jìn)水 平仍然存在很大差距。我們必須保持清醒的頭腦，高瞻遠(yuǎn)矚，盡快制 定學(xué)科的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，采取正確的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略和策略。加強(qiáng)對(duì)基 礎(chǔ)研究中原創(chuàng)性理論方法的支持力度，加強(qiáng)對(duì)原創(chuàng)性技術(shù)發(fā)明的支持 力度。在繼續(xù)保持和發(fā)揚(yáng)摩擦學(xué)、機(jī)

11、器人機(jī)構(gòu)學(xué)等在國(guó)際學(xué)術(shù)界占有 一席之地的同時(shí)，力爭(zhēng)在2020年前后機(jī)械與制造學(xué)科總體上進(jìn)入國(guó) 際先進(jìn)行列。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界，涌現(xiàn)多個(gè)在國(guó)際上有重大影響 的科技成果和著名科學(xué)家；在機(jī)械與制造相關(guān)的國(guó)際學(xué)術(shù)界占有更多 席位；有一批國(guó)際一流并在國(guó)際上有重要影響的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和工程研 究中心；有一大批自主創(chuàng)新的重大科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促使我國(guó) 制造業(yè)產(chǎn)生更多的高技術(shù)產(chǎn)品和世界名牌企業(yè)?？傊?，各個(gè)工程領(lǐng)域的發(fā)展都要求機(jī)械設(shè)計(jì)有與之相適應(yīng)的 發(fā)展，都需要機(jī)械設(shè)計(jì)提供所必需的機(jī)械。某些機(jī)械的發(fā)明和完 善，又導(dǎo)致新的工程技術(shù)和新的產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，例如大型動(dòng) 力機(jī)械的制造成功，促成了電力系統(tǒng)的建立；機(jī)車的發(fā)