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机械工程前沿研究与优化设计

摘要:本论文指出了现代机械工程科学前沿的显著特征：一方面，它与信息技术、材料科

学、生命科学和管理科学相交叉；另一方面，它在创造性地解决机械工程关键科学问题的过

程中得到发展。机械优化设计为机械设计提供了一种重要的科学设计方法,使得在解决复杂

设计问题时,能从众多的设计方案中寻到尽可能完美的或最适宜的设计方案，这是现代科学

技术发展的必然结果。简述了遗传算法和蚁群算法的基本概要，并列举了其目前的应用现状。

关键词:机械工程学科前沿优化设计遗传算法蚁群算法

机械工程是一门与机械和动力生产有关的工程学科，它以有关的自然科学和技术科学为

理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修

理各种机械中的全部理论和实际问题。

机械工程学科包含以下几个方面机械制造及其自动化机械电子工程机械设计及理论

车辆工程和仿生技术。机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源

和材料生产的部门，无不需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域：

研制和提供能量转换机械；研制和提供用以生产各种产品的机械；研制和提供从事各种服务

的机械；研制和提供家庭和个人生活中应用的机械；研制和提供各种机械武器。

1机械工程的发展趋势

机械的发展经历了从制造简单工具到制造由多个零件、部件组成的现代机械的漫长过程。

机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产

品。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展，机械工程科学的发展出现了以下显著特点

和趋势：一方面，高技术领域如光电子、微纳系统、航空航天、生物医学、重大工程等的发

展，要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术，因而出现和

发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学新领域；另一方面，随着机械与

制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉，除了推动着

机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外，还产生和发展着仿生机

械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学。在未来的时代，新产品的研

制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目

标任务。

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产

生新的要求和期望，这种聚集和期望可称为科学前沿。科学前沿也可理解为已解决的和未解

决的科学问题之间的界域。当代科学技术前沿具有明显的时域、领域和动态特性。随着科技

的发展，昨天的科学前沿今天可能已成为过去，而原来认为不能解决的科学问题现在已成为

可能。例如平面连杆机构和一般空间机构的分析与综合、凸轮机构动力学、考虑构件弹性和

运动副间隙的连杆机构动力学、流体传动运动副间隙的连杆机构动力学、流体传动机械传动理论、弹性流体动力润滑和薄膜润滑、

一般优化设计方法、普通切削磨削加工、精密加工、特种加工、非精确零件成形理论和方法、

精益生产等领域已有较成熟的理论，这些可能已不再成为学科前沿。

2一些前沿学科研究领域

工程科学前沿区别于一般基础科学前沿的重要特征，是它涵盖了工程实际中出现的关键

科学技术问题。例如，高速铁路轮轨的波浪形磨损是国内外均未解决的工程技术难题，对此

问题的解决不但会产生巨大的社会和经济效益，其理论方法也一定可以丰富学科的内涵，推

动学科的发展。工程科学的又一特征是具有明确的应用前景，其技术成果应具有潜在的市场

竞争力。特别是我国加入WTO以后，我国汽车、机械装备和仪器仪表等制造业将面临更严峻

的挑战。因此，产品的新颖性、制造质量、成本、交货期、售后服务以及环境适应性等问题

更应引起足够的重视。

生命科学必将对21世纪的技术进步与社会发展产生重大影响。机械科学与生命科学的融

合交叉将产生崭新的工艺与产品，形成一个富有发展潜力的新产业。制造仿生与生物制造是

一个极富创新性和挑战性的前沿领域。这方面的研究内容包括：生物活体组织的工程化制造；

仿生设计技术与仿生制造系统；仿生微型机械及其生物制造工艺；生物遗传制造（基于遗传

基因的生长成形技术）。

智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器及执行器，赋予结构健康自诊断，环境自

适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征，以达到增强结构安全、减轻重量、降低能耗

和提高性能等目的一种仿生结构系统，主要内容有：智能机械结构系统基础理论及关键技术

的研究；典