机械工程的学科交叉与进展.ppt

1 从历史上看——“机械学科”是由一种技艺上升成为一门工程科学，它不大可能由内在逻辑体系的演绎来发展，而必然走一条兼采百家之长的道路； 从现实来看——各门学科的大融合，“横断学科”、“边缘学科”的兴起，“复杂性科学”的研究，科学正在由“分科之学”走向综合性的学问； 从性质来看——机械学科的综合性来源于制造活动的社会性及制造系统的开放性。 随着制造技术的进步、制造产业的发展，机械学科也在不断地开拓自己的新疆域，扩充自己的领地，提高自己的知识含量。 不仅与物理、数学、力学、计算机科学、管理科学和系统科学等基础学科的联系越来越广泛、越来越密切，而且，原来以为是“风马牛不相及”的学科，如原子物理、生命科学、信息科学和人工智能之类，现在成了机械学科的“近邻”。 机械学科在与这些学科接壤的“边区”发展交叉学科，创造新的理论、新的财富和新的辉煌。 现代超精密加工（包括微细加工）发展的前锋已经与原子物理学接壤，以分子组装（自装配）的方法制造微型零件。 制造工程技术人员需要进入到物理的微观世界，直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道。 在纳米尺度上：新现象、新规律、新困难 1. 量子效应、物质的波动特性、微观涨落； 2. “均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设不再成立； 3. 宏观的物理量，如弹性模量、摩擦系数、密度 、温度等，已失去意义； 4. 固体甚至不再具有确定的“表面”； 5. 欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不再 能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律。 一个十分陌生的世界和一堆十分棘手的问题与困难！ 需要向物理学家、化学家学习，与原子物理学、分子物理学、化学实行学科交叉。 现代制造系统——高度复杂的系统 现代制造系统的复杂性表现在： 1、固有的非线性， 2、多自律单元的协同行为， 3、 开放性，非平衡性， 4、 生存在一个随机变化、难以预测的环境中。 5、以任何传统的组织结构、运行模式与控制方法都难于驾驭！ 出路——从生命现象中学习如何组织与运行复杂系统的方法和技巧。 “仿生制造”——新一代制造技术，模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程。 1. 机械化、自动化——延伸了人类的体力， 2. 智能化——延伸了人类的智力， 3. 仿生制造——学习与借鉴人类自身内秉的组织方式与运行模式，延伸人类自身的组织结构和进化过程。 仿生制造的内涵问题 ——向生命科学学习什么 1. 完善的信息技术 2. 由基因控制的生长成型方法 3. 性能超群的有机材料 4. 奇妙的生物智能 5. 先进的组织结构和运行模式 6. 高效的寻优与趋优方法 随着经济全球化进程的加快，机械工程呈现出新的发展趋势，可归纳为4个方面: 绿色制造、高技术化、信息化、极端制造 1）绿色制造 面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制定可持续发展规划，推行绿色制造技术。例如，德国制定了《产品回收法规》，日本等国提出了减少、再利用及再生的3R(Reduce、Reuse、Recycle)战略，美国提出了再制造(Remanafacturing)及无废弃物制造(Waste-free Process)的新理念，欧盟将颁布“汽车材料回收”法规。 绿色制造技术不单是从环境出发考虑，而是包括资源、环境和就业三个方面的可持续发展战略。推行绿色制造既给制造业的发展提出了严峻的挑战，同时也创造了很好的机遇。 2）高技术化 科学技术特别是生物、纳米、新能源和新材料等高技术的迅猛发展，给先进制造技术带来了深刻的变化。 制造业是高技术的重要载体，而高技术又为制造业前瞻性发展提供了技术支撑。 制造已经从经验走向科学，从追求生产率和优化产品的可制造性走向可预测性的高品质、高技术含量产品的研究开发，面向可预测性也从宏观预测发展到微观乃至原子尺度品质预测。 今后的制造将是基于科学的制造，大批技术含量高的先进制造技术及产品也在不断涌现，同时更值得重视的是出现了崭新的如纳米制造技术及生物制造技术等制造技术。 3）信息化 信息技术与制造技术的融合将进一步给制造技术带来巨大的、革命性的变化。将传感技术、计算机技术、软件技术“嵌入”制造业，实现产品的信息化与数字化，不仅可以提高其性能，还可使之具有“智能”。 信息技术的应用将大大提高制造装备的精度与效率，并实现自动化与智能化。在经济全球化的格局下，基于网络的制造技术将得到广泛应用，制造装备和制造系统的柔性与可重组将成为2 1世纪先进制造技术的显著特点。 中科院《创新2050：科学技术与中国的未来》系列报告提出：基于泛