機械工程學科發展研究報告

一、機械工程學科的定義和範圍

機械工程學科是研究機械系統和產品的性能、設計及製造的理論、方法和技術的科學，它包括機械學和製造科學兩大領域。

機械學是研究機械結構和系統性能及其設計理論與方法的科學，它包括製造過程及機械系統所涉及的機構學、傳動學、動力學、強度學、摩擦學、設計學、仿生機械學、微納機械學及界面機械學等。

製造科學是研究製造過程及其系統的科學。它涵蓋產品設計、成形制造（鑄造成形、塑性成形、連接成形、模具製造、表面工程等）、加工製造（超精密加工、高效加工、非傳統加工、複雜曲面加工、測量及儀器、裝備設計及製造、表面功能結構製造、微納製造、仿生和生物製造）和製造系統運作管理等科學。

二、機械工程學科發展現狀及重要進展分析

推動我國製造業自主發展的主要驅動力是先進製造技術，機械工程科學研究是先進製造技術的不竭源泉。航天和國防先進裝備幾乎完全立足於自主創新技術。在航空、車輛、家電、微電子、輕工業、石化、工程機械等製造業，自主創新的技術和自主品牌也越來越多。

在國家自然科學基金等的支持下，機械工程學科領域，近年來取得了一系列突出進展和原創性成果，爲我國經濟建設和機械工程提供了大批新理論、新技術和新方法，在國內外產生了重要影響，有的領域已在國際學術界佔有一席之地。

（一）摩擦學領域

清華大學在納米摩擦學及其技術研究取得了重要進展。在計算機硬盤基片表面超精化學機械拋光(CMP)研究中，提出了超精表面納米粒子的行爲機制，發現了化學與機械作用均衡規律，探索出硬盤基片超精表面新型CMP技術及先進的拋光工藝，使拋光後表面波紋度和粗糙度均低於0.1nm。西南交通大學結合高速鐵路中的輪軌關係問題進行研究，首次在試驗中發現了輪軌波磨現象，從理論和試驗上深入分析了輪軌波磨的形成機制。中國科學院蘭州化學物理研究所將納米固體潤滑技術用於我國航空航天工程，發揮了重要作用。摩擦學成爲我國機械工程學科在國際學術界最具影響的學科之一。

（二）機器人機構學領域

燕山大學、上海交通大學等以螺旋理論、李羣和李代數、集合論等爲數學工具，提出少自由度並聯機結構綜合的普適性方法和通用的自由度計算公式，主螺旋解析識別模型理論。天津大學、清華大學等提出基於線性空間理論的少自由度並聯機構雅可比矩陣普適性建模方法，開發出5軸聯動大型龍門混聯機牀、高速包裝機器人等多種工程化裝備。

（三）機械動力學領域

東北大學提出了概率－等厚篩分理論、振動同步和控制同步理論,設計研製了數十種工程振動機械。南京航空航天大學提出了含時滯控制系統動力學、含彈性約束的振動控制系統分叉機理和控制方法、含遲滯阻尼振動控制系統的建模和控制方法，在國際上被評價爲“耳目一新的系統方法”。西南交通大學發展了機車車輛－軌道系統耦合動力學模型－翟.孫模型，研製了自主知識產權的機車車輛－軌道耦合動力學仿真系統和安全性現場測試評估體系。

（四）機械傳動學科領域

南京航空航天大學在新型超聲電機運動機理、機電耦合模型、驅動與控制技術等方面提出了系統的理論和設計方法，發明了幾十種獨具特色的新型行波、駐波超聲電機以及驅動器。該研究中心被國際上評價爲是“世界最具實力的研究機構之一”。華中科技大學在高速超精密運動控制研究中，率先發現並闡明瞭氣浮軸承氣旋現象產生的機理，在國際學術界產生了重要影響。重慶大學發明了具有多曲面與直線圓弧凹槽有機組合的水潤滑橡膠合金軸承，這種軸承節省了大量貴金屬，在國內外船舶等傳動系統中得到廣泛應用。

（五）仿生機械和生物製造領域

吉林大學在仿生柔性動態減阻、仿生電滲脫附理論研究取得了重要進展，發明了一系列地面機械脫附減阻仿生技術，併成功地應用於農業機械和國防工程。西安交通大學在人工骨仿生製造研究中建立了骨組織的模型，提出了骨缺損的復

合結構修復方法，採用快速成形法制造了人工骨的結構框架，並在動物骨缺損修補中獲得成功。

（六）先進電子製造領域

中南大學提出了“極端製造”的理念。上海交通大學、清華大學等圍繞硬盤驅動器和芯片製造中的關鍵科學問題開展了系統研究，提出了納米量級劃痕深度和長度可控的單顆磨粒磨削方法，建立了硅片自旋轉磨削的砂輪臨界切深模型；揭示了高加速度運動系統的寬頻多模態複合運動特徵，提出了高加速度、高精度、高可靠性精密驅動平臺的設計理論與控制方法；闡明瞭超聲鍵合界面原子快速擴散機理，發現了鍵合界面的“粘滑”運動特性，提出了變參數加載工藝。

（七）數字製造領域

華中科技大學提出了基於可視錐的幾何推理新方法、複雜曲面輪廓誤差的統一判別等理論理論，開發出複雜產品數字建模和可製造性分析軟件系統，建立了集成快速測量、數字建模及面向製造設計於一體的系統平臺，應用於缸蓋類葉片類等複雜曲面零件快速產品開發。武漢理工大學提出了數字製造建模理論，建立了數字製造環境下虛擬數控加工系統設備遠程操作、監控與診斷平臺。上海交通大學將距離函數和僞距離函數理論應用於力旋量和運動旋量空間的定性與定量幾何推理，建立了夾具和夾持機構的封閉性、穩定性的定性與定量分析和評價指標體系。

（八）機械測量學科領域

天津大學發明了空間尺寸測量的現場校準方法和裝置，解決了現代製造中急需解決的現場校準及其裝置問題。清華大學發明了頻差大於40MHz雙折射雙頻激光器和測量位移的“激光器納米測尺”。哈爾濱工業大學發明了高性能系列直線及迴轉運動基準裝置；發明了多種共焦掃描測量裝置和顯微鏡，使水平、垂直分辨力達到了亞納米量級；爲我國研製出第一臺圓柱度和微小深孔測量儀標準裝置，使我國具備了在該領域進行量值傳遞和溯源的能力。重慶大學提出了“智能虛擬控件”概念和原理，建立了信號變換的統一模型，研製成功了上千種獨具特色的虛擬儀器開發系統。重慶工學院提出了精密位移測量“時空轉換”思想，發明了時柵位移傳感器及其測試系統，僅用圓周單刻線就實現了任意圓周分度精密測量。

（九）加工製造學科領域

大連理工大學提出了硬脆材料複雜曲面天線罩精密製造技術與裝備。針對天線罩電性能的特殊要求，提出了面向天線罩電性能補償的`精密修磨理論，建立了天線罩綜合電性能誤差與幾何參數補償量關係的理論模型，發明了數字化修磨裝備，解決了國防工程中的一項重大科技難題。湖南大學在高速精密磨削加工研究領域，提出“四點恆線速法”，使非圓輪廓表面磨削力相差十幾倍造成的磨削缺陷得以改善，表面質量明顯提高。華中科技大學提出了磨削表面燒傷的形成機理、理論模型、參數優化及控制策略，解決了磨削燒傷的難題。

（十）超精密加工領域

哈爾濱工業大學在微納米切削過程的加工機理、刀具磨損破損機制、脆性材料超精密切削去除機制等方面進行了深入研究，成功開發多臺超精密切削加工專用設備，並已用於激光核聚變關鍵零件KDP晶體的超精密加工。國防科技大學在國內率先突破了離子束和磁流變光學拋光技術，建立了磁流體和離子束等可控柔體介質拋光的基礎理論，形成了一整套光學鏡面全波段誤差控制的工藝路線和設備，可穩定實現平面、球面和非球面鏡面形精度（RMS）納米量級的加工。

（十一）設計學領域

浙江大學針對基於智能計算的產品概念設計與虛擬樣機技術進行了系統深入的研究，提出並實現了產品配置、產品變型、產品進化和產品遞歸這4項大批量定製關鍵設計技術；實現了產品設計概念的創新生成與設計性能的虛擬仿真驗證；研發了計算機輔助產品創新設計技術與系統，並與國外著名CAD系統的數據接口對接。河北工業大學創造性地發展了TRIZ理論，提出了多衝突的定性和定量分析方法與領域解轉化技術，歸納了產品創新模糊前端中創新設想4種產生模式。

（十二）成形制造領域

湖南大學在汽車覆蓋件模具成型理論和技術領域，建立了相對完整的接觸碰撞過程仿真理論和方法體系，解決了汽車碰撞安全性和車身衝壓工藝分析計算中的共性技術問題。上海交通大學在車身衝壓成形研究中，提出了基於變壓邊力控制技術，實現成形過程中金屬流動的精確控制，建立了高強度鋼汽車板精益成形技術體系。西北工業大學在輕合金成形中揭示了大型鋁型材擠壓速度對擠壓過程及其溫度場變化的影響規律，解決了大型鋁型材擠壓中溫度速度效應及協調控制等重大難題。哈爾濱工業大學在內高壓成形研究中，建立了壁厚分界圓和塑性起皺臨界應力理論模型、揭示了成型的缺陷形成機制和壁厚分佈規律、發明了“有益皺紋”預製坯和降低成形壓力方法等核心技術和裝備。武漢理工大學應用體積成形理論，發明了滾碾及擺碾設備，成功應用於軸承套的冷壓精密成形，大大提高了成形件的強度及製造效率。西安交通大學、清華大學、華中科技大學等分別對光固化（SL）、LOM、FDM、SLS方法進行了機理研究，形成了我國的自主技術，提升了企業的產品開發能力。

（十三）高能束加工領域

中科院力學所發明了特殊聲光開關調製技術，在世界上首次實現將YAG激光毛化技術用於規模生產。湖南大學發明了一種切割焊接用摺疊式準封離型高光束質量千瓦級CO2激光器。江蘇大學研製了重複頻率千兆瓦釹玻璃激光器和激光衝擊成形系統，實現了難成形金屬薄板的激光衝擊小曲率半模成形；華中科技大學發明了一種新型實用的金剛石圓鋸片激光焊接系統。

（十四）微納製造領域

西北工業大學提出了支持任意流程的MEMS集成設計工具。北京大學開發出三套標準工藝流程，建立了高水平的硅基MEMS加工平臺。中科院上海微系統所等發明了多層硅微機械結構一次成型技術、玻璃上硅基光波導製造技術和圓片級封裝新方法，形成了基於單硅片結構的雙面體微機械壓阻傳感器製造工藝。大連理工大學研製塑料微流控芯片自動化製造裝備，掌握了微結構熱壓成形金屬模具、微流控芯片批量製作的關鍵技術。西安交通大學提出了常溫軟壓印下“保壓－釋放－固化”的納米壓印工藝，發現了阻蝕膠與模具液－固界面、固－固界面特性對模腔填充質量及其脫模效果的影響規律，實現了50nm線寬的納米壓印，具有良好的復型保真度。中科院物理成功研製出具有對稱式機械結構的雙探針掃描隧道顯微鏡(STM)探頭。中北大學研製了基於拉曼光譜的圓片級微結構應力測試平臺，完成了靜態應力和動態應力的測試。

三、機械工程學科的國內外比較分析

在機械工程科學方面，雖然已經取得了矚目的創新及進展，必須清醒地認識到，我國機械工程科學總體上還處於落後狀態。主要體現在：中國機械工程的理論、方法和技術對中國製造業的自主

創新和發展的貢獻不顯著；中國學者提出的機械領域的新概念、新理論不多；有重要國際影響的機械工程理論、方法和技術不多；國際機械領域學術界有較大影響的中國學者鮮少。總體上中國機械工程學術領域在國際上的地位滯後於中國製造業在國際製造界的地位。

四、機械工程科學發展總趨勢

未來機械工程學科的發展將主要受到兩個輪子的制約和推動，一個是製造業的創新發展，另一個是學科的演變進步。

鑑於未來製造業發展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化（五化）。機械工程科學的基本任務，就是爲製造業的“五化”提供所需求的機械系統新理論、新方法和先進製造技術。

隨着世界的進步、國家的需求和學科的發展，機械工程科學的發展出現了以下顯著特點和趨勢：一方面，高技術領域如光電子、微納技術、航空航天、生物醫學、重大工程技術的發展，要求機械與製造科學向這些領域提供更多更好的新理論、新方法和新技術,因而出現了微納製造、仿生及生物製造、微電子製造等製造科學新領域；另一方面，隨着機械與製造科學與信息科學、生命科學、材料科學、管理科學、納米科學技術的交叉，除了推動着機構學、摩擦學、動力學、結構強度學、傳動學和設計學的發展外，還產生和發展了仿生機械學、納米摩擦學、製造信息學、製造管理學等新的交叉科學。

由於我國未來將大力推進擁有自主知識產權的先進儀器及裝備技術，因此，基於自主創新的高技術儀器及裝備的設計製造的基礎研究將得到更充分地重視和更快地發展；此外，由於21世紀我國資源和環境面臨空前的嚴峻挑戰，要求機械與製造科學比以往任何時候更重視環境的保護、產品的安全性和綠色度、材料和能源的節省、機電裝備的再製造以及新能源製造領域的基礎研究。