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专辑导读
产品设计是高端装备设计制造的基础和核心,它不仅是高端装备研发的开始,更是技术创新和市场竞争力的源泉。特别是,大数据、人工智能、云计算以及5G等信息领域新技术的快速发展,为装备设计技术的深刻变革进一步添加了强劲动力。在这样的背景下,创新设计,尤其是设计理论与方法的创新显得尤为重要。高端装备设计具有多目标、多变量、多学科复杂耦合的特点,任意设计参数的变动都可能牵一发而动全身。同时,随着高端装备研发从设计阶段延伸到全寿命周期,装备数字孪生、智能运维、人机共融、预测性维护等新方向和新技术逐步成为高端装备设计与研发亟待突破的难点。因此,高端装备数字化智能化设计、复杂设备的集成设计、多学科仿真、装备质量与可靠性等成为国内外高端装备设计相关领域研究者的关注焦点,成为推动装备和制造业转型升级、提质增效的突破口。
为了探讨和分享这一领域的学术前沿和已有成果,中国机械工程工程学会机械设计分会和《机械工程学报》编辑部特邀浙江大学谭建荣院士、河北工业大学韩旭教授、天津大学顾佩华教授、上海交通大学高峰教授、西安交通大学洪军教授和华中科技大学高亮教授担任客座主编,电子科技大学刘宇教授、西安交通大学李宝童教授、大连理工大学宋学官教授、浙江大学胡伟飞教授、华中科技大学肖蜜教授和河北工业大学张德权教授担任客座编辑,共同策划出版“机械创新设计(ICMD2023)”专栏,广邀本领域专家学者结合自身科研实践,介绍最新研究进展、总结学科发展脉络及面临的挑战,在广泛开展学术交流,促进科研成果传播的同时,吸引更多的青年科学工作者参与,不断推动装备设计领域发展。专辑共收录论文29篇,本期推送前10篇。专辑已于《机械工程学报》2024年13期正式出版。
客座专家团队
谭建荣,中国工程院院士,浙江大学求是特聘教授、博士生导师。现任浙江大学设计工程及自动化系主任、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室学术委员会副主任、浙江大学CAD&CG国家重点实验室学术委员会委员,兼任中国机械工程学会机械设计分会理事长,中国图学学会名誉理事长、教育部工程图学教学指导委员会主任。先后获首届“国家杰出青年科学基金”、“中青年图形科技跨世纪人才”、国务院政府特殊津贴、“浙江省重点学科带头人”、“浙江省‘151’人才工程第一层次”、“浙江省新世纪重点培养人才”、国家863计划自动化领域CIMS主题设计自动化专题专家、国家“百千万人才第一二层次”、“科技部十五863先进个人”、“科技部十一五国家科技计划执行突出贡献奖”等荣誉和称号。提出了多品种大批量定制设计技术、多性能数字化样机设计技术和多参数分析与匹配设计技术,研究成果获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖5项,省部级科技进步一等奖7项,教学成果获国家级优秀教学成果奖3项,其中一等奖1项,二等奖2项。
韩旭,河北工业大学教授、博士生导师、国家级人才,现任河北工业大学党委书记、省部共建电工装备可靠性与智能化重点实验室主任。长期从事复杂装备先进设计领域的理论创新、技术突破与工程应用研究,系统地开展了“装备高性能设计与精细模拟”研究。主持包括科技创新2030—重大项目、国家自然科学基金创新群体项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等多项国家级课题。出版中英文专著4部,发表SCI论文200余篇,他引10000余次,连续10年入选Elsevier中国高被引学者,授权国家发明专利80余项。兼任国际计算力学学会总理事会理事、中国机械工程学会常务理事、中国力学学会常务理事和河北省机械工程学会理事长等。任《ASME-Journal of Mechanical Design》、《International Journal of Computational Methods》和《机械工程学报》副主编。获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、国际计算力学华人联合会计算力学奖、中国机械工业科学技术一等奖以及河北省科技突出贡献奖等多项国家级和省部级奖励。
顾佩华,天津大学浙江国际创新设计与智造研究院院长、机械学院教授。 长期从事设计与制造研究和教学工作,建立了可适应设计方法、研发了多材料和多过程3D打印技术等智能制造技术,发表了300多篇文章和授权多个专利。
高峰,上海交通大学讲席教授,国家973计划首席科学家、国家基础青年基金获得者;1991年于北京航空航天大学获博士学位,1982年于东北重型机械学院获硕士学位,1995年至1997年,在加拿大Simon Fraser大学工程学院做高访;1995年至1999年在燕山大学任教授,从2000年到2004年任河北工业大学副校长和校长, 2009年至2013年,任上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室主任。2004年至今上海交通大学教授;获国家自然科学二等奖1项、省部级一等奖6项、何梁何利技术进步奖、美国ASME达芬奇设计发明奖、国家六部委颁发的探月工程嫦娥五号任务先进个人奖、冬奥“滑雪六足机器人”被遴选参加二十大“奋进新时代”成就展,并被中国共产党历史展览馆收藏。
洪军,教育部“长江学者”特聘教授,西安交通大学党委常委副校长。现担任中国机械工程学会常务理事、中国机械工程学会机械自动化分会主任、中国机械工程学会成组技术分会秘书长、中国机械工程卓越工程师教育联盟轮值副理事长。长期从事数字化设计与制造技术科研与教学工作,科研成果获多项国家与省部级奖。
高亮,华中科技大学副校长,机械科学与工程学院教授、博士生导师,2018年获得国家杰出青年基金资助,首届“科学探索奖”获得者,IET Fellow,国家智能设计与数控技术创新中心主任,国务院学位委员会智能科学与技术学科评议组成员,中国机械工程学会工业大数据与智能系统分会主任委员。长期致力于智能优化与机器学习方法在设计制造中的应用等研究,尤其是智能设计与智能调度的研究上。
出版专著15部(其中英文专著5部),在Nature Communications等期刊上共发表SCI论文600余篇,Web of Science被引2.1万次,H-index 72,(Google被引3.1万次,H-index 90)。2020年至今连续四年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“中国高被引学者”。授权发明专利50项,登记软件著作权28项。获国家科技进步二等奖1项(2015年度,排名第2)、国家级教学成果二等奖1项(2022年度,排名第2)、教育部自然科学一等奖2项(2013年度和2022年度,均排名第1)、湖北省自然科学一等奖1项(2023年度,排名第1),其它省部级一等奖2项。担任IET Collaborative Intelligent Manufacturing和Light: Advanced Manufacturing期刊共同主编、Chinese Journal of Mechanical Engineering等期刊副主编等。
刘宇,博士, 教授、博士生导师,教育部长江学者特聘教授、国家优秀青年科学基金获得者,现为电子科技大学机械与电气工程学院院长。研究方向为装备可靠性评估、维护决策与优化、不确定性下的产品设计方法。主持6项国家自然科学基金(重点)项目以及国家重点研发计划项目课题、国防基础科研核科学挑战专题等。当选国际工程资产管理学会(ISEAM) Fellow,连续8年入选Elsevier中国高被引学者榜单。曾获国际质量与可靠性工程教学奖(IISE QCRE Teaching Award)、邓稼先青年科技奖、中国运筹学会青年科技奖、四川省青年科技奖,获部级科技奖进步二等奖4项。担任工业与系统工程领域国际顶级期刊IISE Transactions副主编、可靠性顶级期刊IEEE Transactions on Reliability副主编、Reliability Engineering and System Safety编委、Engineering Optimization顾问编委、中国运筹学会可靠性分会副理事长、四川省机械工程学会机械设计(传动)专业委会副主任委员。
李宝童,1982年出生,西安交通大学机械工程学院教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者,教育部霍英东青年教师基金获得者,西安交通大学青年拔尖人才(A类)。长期从事复杂装备热流结构拓扑优化领域的基础前沿与关键技术研究。研究成果应用于航空、航天、电子、核能、兵器领域多型尖端装备的承载结构设计研发。先后荣获教育部技术发明一等奖(2022年,排名第一)、陕西省技术发明一等奖(2019年,排名第二)、陕西省教育教学成果奖一等奖(2021年,排名第三)、教育部科技进步一等奖(2019年,排名第四)、陕西高等学校科学技术一等奖(2018年,排名第二)。
宋学官,大连理工大学教授、国家杰出青年基金获得者、高性能精密制造全国重点实验室副主任,科技部重点研发计划首席科学家。主要研究多学科耦合建模与优化设计、装备数字孪生,主持开发了数据驱动的云端优化设计软件DADOS(www.dados.com.cn)。
发表第一/通讯作者SCI论文100余篇,出版著作3部。论文总引用5000余次,H指数39,入选全球前2%顶尖科学家榜单。获2020年机械工业科技进步特等奖(排7)、2021年山西省科技进步二等奖(排2)、2022年辽宁省科技进步一等奖(排1),2023年山西省科技进步一等奖(排2),2024年机械工业科技进步一等奖(排1),及ASME PVP国际会议优秀论文奖等论文奖励10余项。
任机械设计TOP期刊ASME《Journal of Mechanical Design》副主编、优化TOP期刊《Structural and Multidisciplinary Optimization》编辑、《International Journal of Hydromechatronics》编辑、《机械工程学报(英文版)》编委 。被WCSMO-15、ASME JMD Webinar等邀请做大会主题/主旨报告10余次。
胡伟飞,浙江大学机械工程学院百人计划研究员、博导。浙江大学学士、韩国汉阳大学硕士、美国爱荷华大学博士、康奈尔大学博士后(本硕博及博后均为机械工程专业),主要研究方向:不确定性优化设计、数字孪生、人工智能、风能,担任相关领域国际权威期刊《Wind Energy Science》副主编、《Wind Energy》编委、《Journal of Intelligent Manufacturing and Special Equipment》编委,承担国家和省部级科研项目10余项,发表高水平学术论文100余篇、Springer英文著作2部,以第一发明人授权中国国家发明专利19项,以第一完成人获中国科技产业化促进会科技创新奖二等级1项、日内瓦国际发明展银奖1项,入选斯坦福大学和爱思唯尔数据库共同发布的全球2%顶尖科学家2024年度科学影响力排行榜(机械工程与运载领域),2020年入选国家级青年人才计划。
肖蜜,华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师,教育部青年长江学者、湖北省杰青、湖北省青拔,入选全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单(2023与2024年),智能制造装备与技术全国重点实验室副主任。从事结构跨尺度拓扑优化设计、超材料设计、数据驱动的结构智能设计等方向研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上/青年项目、教育部联合基金等10余项。出版中英文专著2部,在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Mat. Sci. Eng. R.等期刊上发表SCI论文100余篇,其中ESI高被引论文8篇、热点论文3篇、封面/封底论文3篇。申请/授权发明专利30余项。获湖北省自然科学一等奖1项(2023年,排2)、湖北省科技进步二等奖1项(2020年,排3),国际会议ICIDM 2018/ICMD 2023最佳论文奖、ICCES 2023杰出青年学者奖。
张德权,河北工业大学教授,博士生导师,长期从事复杂机电装备可靠性设计研究。主持国家重点研发计划课题,国家自然科学基金项目和基础加强项目专题等多项国家级项目;在国内外主流学术期刊发表论文60余篇,多篇入选ESI热点/高被引论文,论文引用2000余次,连续三年入选全球前2%顶尖科学家榜单;授权发明专利和软件著作权20余项;兼任中国机械工程学会机械设计分会青年委员、高等工程教育学科专业教学委员会委员、中国图学学会智能工厂专委会委员,《Chinese Journal of Mechanical Engineering》、《计算力学学报》和《工程设计学报》等期刊青年编委。
01
设计理论与方法研究的回顾与展望
引用格式: 孙之琳, 王凯峰, 顾佩华. 设计理论与方法研究的回顾与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 2-20.
论文亮点:
设计理论与方法的发展历程:通过梳理设计和制造领域的相关文献,将设计理论的发展历程划分为四个阶段,分析了制造技术与信息技术对设计理论的影响;
设计理论与方法的分类与应用:从产品全生命周期的角度出发,对设计理论与方法进行了分类,总结了各类方法的概念、特点及其应用范围;
促进设计理论进步的关键技术与未来研究方向:从设计过程表达、设计知识管理、设计评价决策等角度分析了关键技术,并展望了面向复杂系统设计、人工智能、以及绿色设计的未来研究趋势。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.002
02
基于商空间理论的设计变更模型构建与优化研究
引用格式: 王佳伟, 李文强, 向海, 周兴, 万昌富. 基于商空间理论的设计变更模型构建与优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 21-32.
论文亮点:
基于商空间理论的设计变更模型构建:提出了一种利用商空间理论构建多粒度产品系统功能关系模型的方法,通过功构映射建立设计变更模型,有效减少了冗余关系;
最小设计变更模型的优化与简化:采用合并策略来构建最小设计变更模型,从而提高设计变更的效率和质量,减少了变更过程中的冗余和复杂性;
优化算法在设计变更中的应用:通过改进的蚁群优化算法确定变更传播路径,并以烧结炉的设计变更为例,验证了该方法在提升变更传播效率和准确性方面的有效性。
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03
复杂竞争产品的演化状态空间与可适应能力评价
引用格式: 张健, 宋昕贤, 顾佩华. 复杂竞争产品的演化状态空间与可适应能力评价[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 33-47.
论文亮点:
复杂人工系统中的产品可适应能力:在由竞争产品构成的复杂系统中,提升产品的可适应能力对企业管理决策、产品设计研发及运维服务具有重要意义,有助于产品满足多样化需求;
非劣设计原则及高阶演化状态空间:提出了产品演化中的非劣设计原则及其判别式,定义了竞争产品的高阶演化状态空间,并总结了其基本特性,包括关联性、动态性、统一性、有界性和收敛性;
产品高阶可适应能力的评价方法:基于高阶演化状态空间及物理单元的重用率,提出了高阶可适应能力的概念与评价方法,并通过风力发电机的案例验证了该方法的有效性。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.033
04
基于高速图像特征提取的滑动轴承空化特性试验研究及其数值仿真分析
引用格式: 童哲铭, 马廷良, 刘浩. 基于高速图像特征提取的滑动轴承空化特性试验研究及其数值仿真分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 48-55.
论文亮点:
油膜空化现象的可视化研究方法:构建了滑动轴承油膜空化可视化试验系统,利用高速摄像机捕捉油膜空化演变图像,并提出了特征图像处理和提取方法,以便深入分析空化特性;
空化特征与影响因素的相关性:研究发现油膜空化发展程度与轴颈转速和润滑油黏度呈正相关关系,与供油压力呈负相关关系,揭示了主要影响因素对空化程度的作用;
关键实验结果:测试表明,当主轴转速增加时,空化区域显著增大;润滑油黏度升高也会扩大空化区域;相反,增加供油压力则能显著减小空化区域,展示了对空化控制的有效途径。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.048
05
文本挖掘与专利数据协同驱动的产品功能扩展研究
引用格式: 林文广, 刘晓东, 肖人彬. 文本挖掘与专利数据协同驱动的产品功能扩展研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 56-70.
论文亮点:
文本挖掘与专利数据驱动的产品功能扩展方法:提出了一种基于文本挖掘与专利数据协同的研究方法,以支持产品的功能扩展和创新设计,提供产品精准变更与升级的量化分析工具;
基于网络模型与BERT的功能与结构信息提取:通过融合超图网络模型计算产品元件的重要性,并利用BERT模型训练词向量,从专利数据中提取和匹配相似结构与功能信息,为功能扩展提供了数据支持;
四种功能扩展策略:结合协同推荐算法,提出了针对目标元件和相似元件的四种功能扩展策略,以帮助实现不同元件的功能扩展和创新,案例验证表明该方法在实际应用中具有可行性和有效性。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.056
06
基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化
引用格式: 肖蜜, 李奇石, 高亮, 沙伟, 黄明喆. 基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 71-80.
论文亮点:
基于各向异性材料插值的点阵散热结构优化方法:提出了一种跨尺度拓扑优化方法,利用各向异性材料插值来设计点阵散热结构,以提高热学性能,适用于信息电子和航空航天等领域;
微观和宏观尺度的优化设计:在微观尺度上,通过设计十字型点阵单胞并调整其体分比与旋转角度,扩展了设计空间;在宏观尺度上,以最小化散热柔度为目标,在高导热材料体积分数的约束下,优化单胞分布和几何参数;
多目标热学性能优化:考虑三种典型热学性能目标(最小化平均温度、温差和最高温度),验证了在不同边界条件下,该方法设计的点阵结构具备优异的散热效果和可调性。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.071
07
基于混合指标自适应采样代理模型的多目标优化设计方法
引用格式: 赵峰, 胡伟飞, 李光, 邓晓豫, 刘振宇, 郭云飞, 谭建荣. 基于混合指标自适应采样代理模型的多目标优化设计方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 81-91.
论文亮点:
混合指标自适应采样代理模型的提出:为应对工程结构多目标优化设计中的高非线性、高维度和高计算复杂度问题,提出了基于Voronoi区域划分的混合指标自适应采样方法,能在降低样本数量的同时保证优化精度,减少设计成本;
NSGA-II-RD算法的应用:引入了基于优势面旋转投影和区域划分的新型拥挤度算子的多目标优化算法NSGA-II-RD,该算法在求解收敛速度和结果准确性方面优于传统算法,提高了多目标优化的效率和精度;
多目标优化设计在实际工程中的应用与验证:将该方法应用于绝缘栅双极晶体管母排的结构设计中,对质量、电路压降及疲劳损伤等目标进行优化,结果表明该方法有效地实现了母排的轻量化、良好导电性及抗疲劳性能,验证了其在低成本、高精度仿真中的实际工程应用潜力。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.081
08
复杂热流承载结构拓扑优化设计研究
引用格式: 李宝童, 刘策, 洪军, 刘庆芳, 史萌, 李开泰. 复杂热流承载结构拓扑优化设计研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 92-121.
论文亮点:
无网格粒子方法的创新应用:提出了一种基于NURBS的无网格粒子流体动力学方法(NBPH),通过配置真伪粒子和基于NURBS插值的粒子通讯,缓解了偏微分方程求解中的离散化耦合问题,提升了计算效率和精度;
NBPH与SIMP方法的拓扑优化框架:将NBPH方法与SIMP方法结合,构建了新的拓扑优化框架(NBPH-TO),适用于复杂热流场景的优化设计,利用体素分布生成的粒子流动阻力场实现流场与结构场的耦合;
验证和应用:通过液冷和风冷散热场景的实验验证,NBPH-TO框架展现了在优化设计中的有效性与鲁棒性,提供了复杂热流承载结构设计的可行解决方案和可靠的数值工具,满足高性能热流承载结构优化的需求。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.092
09
基于知识挖掘的HDMR优化方法与工程应用
引用格式: 刘肖佐, 王鹏, 何瑞轩, 李靖璐, 董华超, 温志文. 基于知识挖掘的HDMR优化方法与工程应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 122-129.
论文亮点:
知识挖掘提升设计效率的HDMR优化方法:提出了一种基于知识挖掘的高维模型表示(HDMR)优化方法,通过改进的多元模型筛选策略,提高了HDMR子项构建的效率和预测精度,以更好地利用已有的实验和设计知识;
全局代理模型与局部优化策略的结合:利用全局代理模型代替真实函数构建HDMR子项,以最优样本为中心点进行局部优化,并通过置信度对比在全局中挖掘潜在较优点,从而加速了优化算法的收敛速度;
实际应用与效果验证:在翼身融合水下翔机外形优化中,应用该方法在体积约束下将升阻比提升了5.04%,显著优于无知识辅助的优化效果,验证了知识挖掘对工程设计优化的促进作用。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.122
10
考虑惯性载荷的结构热力耦合拓扑优化
引用格式: 郑静, 荣轩霈, 姜潮, 米栋, 李加强. 考虑惯性载荷的结构热力耦合拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 130-140.
论文亮点:
考虑惯性载荷的热力耦合拓扑优化模型:提出了一种针对复杂环境下装备结构的热力和惯性耦合的拓扑优化方法,通过建立热载荷、机械载荷及惯性载荷的耦合模型,优化结构在体积约束下的柔顺度;
改进的材料插值惩罚模型:针对低密度区域材料分布不收敛的问题,设计了改进的材料插值惩罚模型,以确保拓扑优化中的材料分布清晰,从而提高优化的稳定性和精度;
数值验证与应用平台开发:利用MATLAB和ABAQUS开发了热力耦合拓扑优化平台,验证了在不规则结构设计域中的适用性,数值实验结果表明该方法收敛性好,并有效避免了低密度区域的模糊分布问题。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.130
JME学院简介
JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建,以关注、陪伴青年学者成长为宗旨,努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。
欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友,由小助理拉入JME学院官方群!
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