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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,本期推送后9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、国家杰出青年基金获得者;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
微观几何设计制造的关键技术与工程应用
引用格式: 刘振宇, 陈轲文, 裘辿, 李明, 张雨豪, 谭建荣, 彭群生. 微观几何设计制造的关键技术与工程应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 268-280.
论文亮点:
微观几何学的基本概念与应用: 微观几何学主要描述和刻画在微小尺度下的几何特征,提供了表征、设计、加工和测量微观特征的数学基础,尤其是在微尺度建模、跨尺度关联和局部形状控制方面的应用;
微观几何设计制造的关键技术: 微观几何设计制造涉及多个方面,包括微观几何的表示与建模、多物理场仿真、智能设计与优化、高精度制造和高效率测量等,所有这些都集中在如何提高制造精度和效率,解决微观几何设计中的关键科学问题;
宏观-微观耦合的挑战与研究方向: 亟需解决的关键科学问题包括宏观-微观耦合的几何表征、材料-结构-工艺-性能一体化设计、原子尺度的几何表征与测量等问题。研究团队在复杂零件表面建模、产品装配仿真和微孔结构优化设计等方面展开了深入研究。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.268
02
柔性手爪机构设计与变刚度技术研究发展综述
引用格式: 潘杰, 于靖军, 裴旭. 柔性手爪机构设计与变刚度技术研究发展综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 281-296.
论文亮点:
柔性手爪在机器人系统中的优势与挑战: 柔性手爪相比刚性手爪,在未知环境下作业、夹持几何非规则物体、夹持易碎物品和实现安全的人机交互等方面具有明显优势,但也面临结构刚度不足导致输出力小、操作精度差等问题,亟待解决;
柔性手爪的机构设计与变刚度技术: 针对柔性手爪的机构设计和变刚度技术,本文从提升手爪形状自适应性和作业载荷能力的需求出发,详细分析了柔性手爪在这两个方面的显著进展和现存不足;
柔性手爪的多功能化与智能化发展: 总结了柔性手爪研制技术面临的主要挑战,并提出新的思路,以推动柔性手爪的多功能化和智能化发展,从而扩展其应用领域,提升机器人的整体作业能力。
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03
基于固有频率的运动冗余并联机构位置逆解优选方法
引用格式: 吴震, 李秦川, 叶伟. 基于固有频率的运动冗余并联机构位置逆解优选方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 297-307.
论文亮点:
运动冗余并联机构的优势与挑战: 运动冗余并联机构在避免奇异点、扩展工作空间和提升性能方面具有显著优势,但由于位置逆解的不唯一性,需要考虑性能指标来进行优选;
位置逆解优选新方法的提出: 本文提出了一种新的运动冗余并联机构位置逆解优选方法,结合闭环矢量法和全局独立广义位移坐标法,进行运动学和弹性动力学建模,并选用第一阶固有频率作为弹性动力学性能指标,利用粒子群优化算法优化位置逆解;
响应面映射模型与实例应用: 利用多项式拟合技术建立最优位置逆解与动平台输出位姿参数的响应面映射模型,并通过具体实例——2PUPR-PRPU并联机构,验证了该方法通过基频对比来优化位置逆解的有效性。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.297
04
一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计
引用格式: 何雨镐, 谢福贵, 解增辉, 王金斗, 刘辛军. 一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 308-315.
论文亮点:
“大范围定位+局部五轴精雕细刻”原位加工模式的提出: 针对大型复杂构件的高精加工需求,提出了“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的原位加工模式,并开发了由“全向移动平台+高刚度定位机构+高精度五轴并联加工单元”组成的移动式混联加工机器人,以满足高精度加工需求;
运动/力传递性能和刚度的优化: 通过运动/力传递性能评价方法,进行了结构和尺寸参数的分层优化,使得五轴并联加工单元的运动/力传递性能提高了48.37%。同时,采用虚拟铰链法和有限元法,揭示了各构件刚度对末端刚度的影响,并通过刚度逐级优化方法对机架进行了结构优化,使其刚度提高了63.83%,刚度质量比提高了52.06%;
优化设计结果与新一代移动式加工装备的研发基础: 基于优化设计结果,设计了运动/力传递性能和刚度性能更优的五轴并联加工单元,为研发具有更优加工性能的新一代移动式加工装备奠定了基础。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.308
05
工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略
引用格式: 张德权, 李星奥, 张宁, 宁国松, 韩旭. 工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 316-329.
论文亮点:
工业机器人误差补偿方法的提出: 针对工业机器人在全寿命周期内受多源不确定性因素影响,导致末端执行器位置偏差,本文提出了一种基于非运动学标定原理的全域精细化误差场建模方法与误差补偿策略,通过训练径向基函数神经网络构建定位误差场,并结合交叉验证和粒子群优化算法提高模型精度;
误差场建模与补偿策略: 利用建立的误差场预测工业机器人任意点的定位误差,并通过编辑控制器设定值增加预偏置实现误差补偿。该方法能在较少样本下准确构建误差场,提升补偿精度;
实验验证与工程适用性: 针对三款不同额定负载的国产工业机器人进行误差补偿实验,结果表明,所提出的误差场模型比基于误差相似性原理的模型更为精确。补偿后,三款机器人绝对定位误差显著减小,验证了该方法在实际工程中的适用性。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.316
06
大型全可动射电望远镜结构设计进展与挑战
引用格式: 冯树飞, 班友, 连培园, 王伟. 大型全可动射电望远镜结构设计进展与挑战[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 330-344.
论文亮点:
大型射电望远镜结构设计的挑战与难点: 随着射电望远镜口径和工作频率的不断增长,如何在复杂环境载荷下满足望远镜的性能要求,成为大型全可动射电望远镜结构设计的关键难点;
射电望远镜结构设计的成功经验: 综述了国内外典型大型全可动射电望远镜的结构设计特点,展示了等刚度思想下的保型设计和机电一体化设计的成功实践,强调了这些设计理念在提升望远镜性能方面的应用;
下一代亚毫米波射电望远镜的设计研究趋势: 针对下一代大型亚毫米波射电望远镜面临的超高精度挑战,提出了未来研究趋势,包括保型拓扑优化设计、多组件耦合设计、光机电一体化设计、可靠性设计、机/结构创新设计和精准建模等方向的研究重点。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.330
07
在轨组装空间天线模块化单元设计方法
引用格式: 李欢笑, 吕胜男, 马小飞, 李昊, 林坤阳. 在轨组装空间天线模块化单元设计方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 345-353.
论文亮点:
模块化单元在轨组装技术的重要性: 随着航天技术的发展,单次展开的空间天线已无法满足大尺寸天线的需求,基于模块化单元的在轨组装技术成为实现大尺寸空间天线的有效途径;
多构型拓扑天线模块化单元设计方法的提出: 为解决传统设计方法无法准确表征通用空间天线结构构型的问题,提出了一种基于多构型拓扑的天线模块化单元设计方法,能够高精度模拟多种天线构型,如平面、球面、旋转抛物面和抛物柱面等;
设计方法的验证与可行性: 通过对研制的原理样机进行收拢展开试验,验证了所提出的模块化单元设计方法在实现大型空间天线在轨组装中的可行性和有效性,证明其为可靠的技术。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.345
08
机电复合传动主谐次扰动相位自适应补偿方法
引用格式: 张伟, 刘辉, 刘金刚, 严鹏飞, 傅兵. 机电复合传动主谐次扰动相位自适应补偿方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 354-365.
论文亮点:
机电复合传动系统的扭振问题: 由于发动机曲轴扭矩的剧烈波动,机电复合传动系统会产生扭振,影响车辆的行驶平稳性和系统使用寿命。传统的机械减振装置无法实时调整,导致减振效果受到限制;
基于电机转矩自适应补偿的减振方法: 提出了一种基于电机转矩自适应补偿的车用机电复合传动系统扭振减振方法,通过重构扰动信号解决了发动机主谐次扰动前馈补偿信号的时滞问题。该方法通过双电机前馈调控方案优化补偿条件,并采用PI调节器进行自适应时滞相位修正;
仿真与实验验证: 通过数值仿真和硬件在环(HIL)测试,验证了该自适应PI调节器方法能有效消除时滞相位误差,降低驱动系统的转矩波动幅值,显著提升了动力系统的平稳运行性能。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.354
09
3.9 GHz超导高频腔调谐器的结构设计
引用格式: 甄亭亭, 相升旺, 张乐, 孙森, 邓荣兵, 陈锦芳, 吴晓伟. 3.9 GHz超导高频腔调谐器的结构设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 366-374.
论文亮点:
高精度调节器设计: 为满足硬X射线自由电子激光装置3.9 GHz超导高频腔调谐器在真空、低温、辐射等严苛环境中的高精度调节需求,提出了整机设计思路,采用同轴叶片式结构,并通过理论计算和仿真分析确定了叶片的尺寸和数量,以保证强度、刚度、稳定性及调节范围等性能要求;
制造工艺与疲劳和辐射测试: 在制造过程中,严格控制加工工艺和尺寸精度,避免因刚度非对称性导致结构扭转。同时,进行叶片组件的疲劳测试和关键元件的辐射测试,确保调谐器在极端条件下的长期运行可靠性;
样机测试与验证: 通过整机仿真分析和样机在常温、低温下的运动测试,验证了同轴叶片式调谐器的精密调节性能,确保其能够在模拟运行环境下满足设计要求,为超导腔系统的水平测试和工程设计定型提供了基础。
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阅读全文:http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.13.366
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。
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