机械学科前沿

一、机械设计学科形成的历史机械设计是专为工业生产所运用、具有明显的技术特征,而又形成体系的一门学科,在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来。英国人斯密顿（SeatonJ，纽可门（Newcomen,T）发明的各种功率的蒸汽机进行了系统分析,写出许多实验报告,并整理出一套计算公式。瓦特（Watt,J）,就是在他工作的基础上，先后于1756年和1782年研制出新一代的蒸汽机。机械设计经历了反复多次的失败,才逐步积累了技术经验,奠定了科学的基础,形成完整的体系。两百多年前的个体手工劳动的生产方式，现在已由大规模的机械化、自动化生产所代替。过去，产品的质量和性能，完全依赖于劳动者个人的经验和手艺，而现在已经可以做到由电子计算机对生产过程进行自动的适应性控制，使得产品成量好、成本低。人类在自己的生产活动中,不断地总结经验和采用最新的科学技术来推动生产向前发展。同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。二、机械设计的形成阶段第一阶段，设计公式进行的经典设计阶段。机械工业生产主要在欧美各国进行，设计主要是依据经典设计公式的组合进行。力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰富经验,为机械设计的实验、试验和理论研究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基本体系，也做了不少基础性的工作。第二阶段，以经验为主的实验设计，第二次世界大战中和战后（1940一1960年）。是机械工业在数量方面扩大生产的时代，主要在美国。这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。机械设计可分为机能设计和强度设计两大方面。以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容:（1）以弹性力学为基础的弹性设计；（2）以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；（3）基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲劳设计。第三阶段，以静态解析为主的理论设计，这个阶段（1960-1980年）是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后,在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。第四阶段，以动态解析为主的理论设计，进入20世纪80年代，由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展产品结构日趋复杂，对机械的工作性能也要求越来越高。为使机械安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动特性。另一方面，人们的环境保护意识增强，机械振动和噪声损害操作者的身心健康，成为亟待解决的社会问题。为此，由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声的要求。三、未来机械设计的发展趋势21世纪以前，科学与技术着重于认识自然世界，不断提高人类生存能力；21世纪科技将更多地着眼于认识人类自身，不断提高人的生命质量。在21世纪里，就制造业来讲，发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品，极大地改变了人类的生产方式和生活方式展望未来，21世纪将更加伟大、更加辉煌。制造业将出现更多意想不到的奇迹。生产的汽车不仅会跑，可能还会飞；制造的飞机将更快、更安全；高速列车和磁悬浮列车将飞驰在祖国的原野；智能仪器装备和智能机器人将按照人们的要求高效率、高质量地制造产品；微型机器人将能进入血管清理“垃圾”、修补心脏；人们可用分子组装技术组装出理想性能的微器件；掌上工具可能是计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成，等等。未来机械设计科学发展的总趋势将是交叉、综合化；柔性、集成化；智能、数字化；精密、微型化；高效、清洁化。智能机器人及仪器设备、微型机电系统、高效柔性、智能自动化制造技术将日趋成熟，并被市场所接受；可重构制造系统的理论与技术和适合我国的制造模式将得到完善和发展；在机构学、摩擦学、仿生机械和仿生制造等领域我国将进入世界先进行列；我国科学家问鼎诺贝尔奖将不是天方夜谭。制造业在制造科学技术的武装下将全面现代化，国家由于制造业创造的财富而更加昌盛繁荣。人民的生活将更加富裕潇洒。信息科学、材料科学、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界。与以上领域交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等是21世纪机械设计科学的重要前沿。半个世纪以来，我国的机械设计科学得到了很大的发展，我们已经建立了较完善的学科体系，在学科前沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，唤发新的活力。从起初规模型”成本型”到质量型”再到现在的快速响应型”无不展示其适应市场竞争，求生存、求发展的勃勃生机。围绕着以满足个性需求为宗旨的新产品开发与竟争，一场以大制造、全过程、多学科为特征的新的制造业革命正波澜壮阔地展开。这是二十一世纪知识经济新时代下制造业的趋势，同时也预示着其未来的可持续发展方向一一全球化、信息化、智能化。四、我国机械设计科学发展总趋势在机械设计科学方面，我们虽然已经取得了瞩目的创新及进展，但必须清醒地认识到，我国机械设计科学总体上还处于落后状态。主要体现在：我国机械设计的理论、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设计理论、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。总体上我国机械设计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。未来机械设计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”。）机械设计科学的基本任务，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。我国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。(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。我国机械设计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。在机械设计领域学术界，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。总之，各个工程领域的发展都要求机械设计有与之相适应的发展，都需要机械设计提供所必需的机械。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路工程和铁路事业的兴起；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。机械设计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。