薄板结构微细特征制造的介观尺度效应-教育部科技发展中心.PDF

推荐国家自然科学奖项目公示 项目名称 薄板结构微细特征制造的介观尺度效应 推荐单位 教育部 推荐单位意见： 我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目 均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。 微细制造是目前国际机械学科的前沿。自 2005 年以来，来新民教授领导的团队 一直致力于微细制造的基础理论及其工艺研究，并取得多项创新性成果。该项目通过 引入尺度效应因子构建宏-微跨尺度模型，揭示性能失效的尺度效应机理，为介观尺 度效应的定性分析向定量计算转变奠定了基础；提出基于宏观连续介质力学的微细制 造过程分析方法，使采用宏观连续介质力学的计算量达到细观分析效果，发展微细铣 削、微细成形和微细装配的工艺设计方法，形成微细特征零件介观制造工艺理论。 项目组发表 SCI 论文 22 篇；10 篇重要论文他引 493 次、SCI 他引 224 次； 得到来自德国、美国、日本等微细制造领域国际同行的认可。其中，发表在 JMTM 上 的代表性论文 1 在该期刊 2008 年至今发表的 926 篇中单篇他引次数排名第七 （Scopus 数据库统计）。研究成果为上汽集团、大连新源动力、武汉理工新能源、美 国 Bing Energy 新能源公司等极板开发提供了理论基础，带动了我国车用燃料电池制 造技术突破。 该项目在微细制造介观尺度效应分析方法上属国际首创，研究成果达到国际先进。 推动了国内微细制造学科的发展，为上海交通大学机械工程学科评估取得优异成绩作 出了贡献。 对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报2017 年度国家自然科学奖二等奖。 项目简介： 本项目属于机械科学领域。微细特征薄板零件（整体尺寸10000µm ，特征尺寸 -3 -5 10-1000μm、相对精度 10 至10 ）可显著提高新能源装置、微反应器等小型化产品的 性能指标。但由于这种介观尺度的微细特征与金属材料晶粒尺度相当，制造过程材料 流变、界面力学行为尺度相关性增强，工艺规律产生突变，产生显著的介观尺度效应， 现有理论模型和分析方法难以指导这类微细制造的工艺设计。介观尺度效应成为是国 际微细制造领域的前沿科学问题。 项目组以微细制造的共性问题-介观尺度效应为核心，通过十余年潜心研究，在薄板 结构微细特征制造的尺度效应机理，定量建模及工艺极限尺度方面取得突破，主要发 现与贡献包括： 1) 探明了两种“矛盾” 的材料流变尺度效应-切削阻力“越薄越强”与成形变形抗力 “越薄越弱” 的产生机理。建立了介观尺度切削和成形的“宏-微”跨尺度材料本构模型， 精确描述了应变梯度增大导致的“越薄越强”和边界层比例增大导致的成形“越薄越弱” 的材料流变尺度效应，为介观尺度效应由定性分析向定量计算转变奠定了基础。 2) 揭示了界面行为产生摩擦系数增大和结构强度减弱的尺度效应机理。建立介观 尺度成形界面摩擦和界面结构失效的“宏-微”跨尺度模型，精确地考虑了摩擦行为随接 触界面面积增强和界面结构的减弱的尺度效应。 3) 发现了微细制造过程中不连续切屑、材料颈缩提前、界面接触波动的工艺状态 转换现象；建立了基于连续介质力学的微细制造过程介观尺度分析方法，揭示了微细 制造过程中工艺参数的突变规律，确定了从切屑切削到犁切、材料均匀变形到颈缩失 稳的状态突变的制造工艺参数的极限尺度值，形成了微细制造工艺设计的基础理论。 本项目8 篇代表性论文他引440 余次，SCIE 他引260 余次；【代表性论文1】是在SCOPUS 数据库中有关微细铣削的 500 多篇论文中引用排名第二。微细制造尺度效应的研究成 果得到了德国霍朗霍夫研究所，法国国家科学研究院，英国伯明翰大学，新西兰皇家 科学院，意大利巴里理工大学，美国自然科学基金精密成形中心，加拿大工程院，澳 大利亚卧龙岗大学，日本东北大学，新加坡南洋理工大学，香港理工大学等国际著名 的微细制造研究机构的引用与跟踪。德国工程院院士Vollertsen 教授在评论我们微细铣 削材料尺度效应时，认为“来等提出的模型能够解释材料硬化行为，而材料硬化行为被 发现是引起尺度效应的主要原因” 。法国国家科学研究院Manach 教授评论我们成形尺