学术研究项目申请标书 案例 - 图文

项目名称：起止年限：依托部门：项目申请标书

（案例） 数字化制造基础研究 丁汉 华中科技大学 2005-12-1

教育部 湖北省科技厅

首席科学家：

一、研究内容

数字化制造已成为推动21世纪制造业向前发展的主流，其重要特征表现在：制造装备的自律性和自适应性；制造过程的可预测性和可控性；制造系统的可维护性和制造信息的可重用性。结合国家制造业的重大需求和数字化制造的发展趋势，本项目以制造装备高精度数字化控制及大惯量大行程高精度同步控制、制造过程的物理场多尺度数字仿真、复杂曲面数字化精密加工、多源多工序制造质量控制、制造执行过程决策与优化等数字化制造关键共性技术为突破口，本项目围绕下列三个重要科学问题展开研究：

科学问题之一：数字制造装备的动态行为与性能演变规律

在能源、运载、国防等领域，需要制造大型、薄壁、复杂、难加工材料的精密零件，对制造装备的精度、效率、可靠性等性能指标提出了更高的要求。如加工直径8米、重达100吨舰船用螺旋桨的大型车铣复合加工机床，结构非常复杂（要求七轴五联动），行程范围高达10米，加工精度高。又如我国目前用于航空、航天、国防等行业锻造大型构件的3万吨模锻水压机，其活动横梁自重2100吨，行程1830毫米，要求全行程位移误差小于0.13毫米。在高速、高加速度、大载荷、大位移等非常规工况下，摩擦、振动、冲击、变形、结构间隙等非线性因素将直接影响装备的动力学行为，使装备的性能发生变化，对现有的控制理论和方法提出了极大的挑战。分别以高性能数控机床和巨型精密模锻水压机两类典型数字制造装备为对象，研究数字制造装备在复杂工况和运行状态下的动态行为和性能演变规律，为设计新型数字装备和数控系统提供理论依据和技术基础，主要研究内容包括：

1) 高速数控机床动态行为演变及其高精度控制

随着高性能数控机床精度、效率越来越高，高速、高加速度和变加速度成为数控机床动态行为的主要表现形式，机床的力学特性（如结构、间隙、动静刚度、摩擦特性、振动、噪声、非线性时变载荷等）、热学特性（如热变形、热稳定性等）、以及力、热耦合特性对机床的加工质量和效率产生显著影响。为自主开发高速、高精、高效的新一代数控机床，研究数控机床的力、热耦合特性及其对机床动态行为和加工性能的影响机理和演变规律，实现高速、高加速度和变加速度加工条件下的智能控制和加工精度强化。主要研究内容包括：

? 数控机床多轴力、热耦合特性分析及数字建模；

? 数控机床动态性能对加工质量和效率的影响及其敏感性分析；

? 数控机床的智能控制与加工精度强化； ? 多轴高性能数控机床的示范应用。

2) 巨型成形装备的力流传递特征及高精度制造界面形成

在巨大载荷作用下，巨型成形装备复杂结构的接触非线性、超静定、连接与运动副间隙等因素产生载荷奇异传递和巨大的附加内力，直接影响大型构件制造精度。大惯量大行程快速运动可能引起超调振荡，在巨大流量的液压机械系统中产生冲击，降低运动的动态精度。上述两种现象均会导致装备工作能力的下降。为了提高装备实际工作能力，实现高精度巨型塑性成形的制造。需要开展如下研究：

? 巨型成形装备的力流传递规律与偏载奇异效应； ? 大惯量大行程运动的动态精度形成原理；

? 巨型成形装备制造界面的位置、形态与界面力场模型； ? 巨型成形装备高效、高可靠、高精度运行的数字化实现。 科学问题之二：制造过程的物理场影响机理及其数字化描述

在制造过程中，伴随着零件材料组织的演变和形状的生成，力、热、流体等物理场的作用成为影响零件制造精度、效率和性能的主要因素。对制造过程进行多学科、多尺度模拟与仿真，揭示制造过程的本质属性，实现制造过程优化控制，是确保零件高效、高精、高质创

成的关键。制造过程中的物理场作用具有非线性耦合、多尺度效应、强时空变化等特点，其作用机理十分复杂。需要研究的核心科学问题是制造过程的物理场作用机理及其数字化描述、零件性能的定量预测。本项目研究加工制造过程和成形制造过程中的物理场复合作用机理以及复杂曲面精密加工的新原理和新工艺。主要研究内容包括：

1) 数字制造过程物理行为建模与精度创成原理

在零件的制造过程中，由切削力、刀具与工件之间的摩擦诱导的发热、变形等物理现象成为高精度创成中必须考虑的关键因素。揭示制造过程中物理场的复合作用，预测其行为的时空效应，并通过对工艺参数的优化，把对物理场作用的定性认识转化为对其行为的定量控制，实现复杂零件高精度加工制造。主要研究内容包括：

? 加工制造中物理场复合作用机理及其数字仿真； ? 物理约束、几何约束与零件性能约束相容性分析； ? 加工制造过程的工艺优化与精度保证； ? 高精度零件制造的数字化仿真平台。

2) 高性能复杂曲面数字化精密加工的新原理和新方法

我国能源、运载、国防等领域重大工程急需的某些关键零部件，其制造不仅要保证几何精度，更要满足特定的物理性能。例如主动导引防空导弹天线罩，必须通过逐点去除加工才能确保任意点的电厚度要求，这就对现有的加工方法提出了新的挑战。为实现复杂曲面的高效精密加工，获得高物理性能和高几何精度复杂曲面零件，需要研究复杂曲面多源约束与曲面参量的非线性耦合模型和加工过程物理场复合作用机理，创建性能驱动的复杂曲面生成新原理。主要研究内容

有：

? 基于零件物理性能与几何特征映射关系的复杂曲面生成方法；

? 复杂曲面多源离散信息的结构化方法与误差消减； ? 面形随机复杂曲面零件的逐点精确可控去除加工新方法； ? 高性能高精度局部共轭曲面生成与制造过程精确控制。

3) 先进成形制造过程的多尺度数字仿真与优化

建模与仿真是数字化成形制造的核心技术。成形制造过程的数字模拟技术正在向多学科、多尺度、多物理场方向发展，已成为当今国际公认的制造及材料科学的重要前沿领域。能源、运载、国防及装备制造业的一些关键零部件需要采用先进的成形制造工艺，其成形质量与使用性能取决于制造过程的温度场、流场、应力应变场和微观组织场的共同作用。针对典型的先进成形制造方法，研究零件成形制造过程中多尺度多学科的数字化建模仿真理论与方法，揭示物理场耦合作用下材料的组织演变规律及其与性能的关系，提出零件成形制造质量、组织、性能和使用寿命的预测方法。主要研究内容如下：

? 精确铸造成形过程多尺度物理/数学建模与仿真； ? 精确成形铸件的组织、性能与疲劳寿命预测； ? 精密模锻流变成形本构规律及模锻载荷预测建模； ? 高性能复杂构件塑性成形组织性能预测建模与仿真。

科学问题之三：数字制造系统的信息作用规律与决策机制

制造系统集中汇聚了制造装备、零件、制造工艺以及执行过程等多方面的信息.提高制造系统的信息获取、处理与融合能力，尤其是通过复杂制造信息的融合及不确定信息处理提高制造信息可用性，已成为在系统的层次上确保高效、高可靠、高精度产品制造的关键。研究加工质量与过程信息的获取、表达、传递、融合、演化和利用，揭示制造信息的基本性质（如定量、度量、价值、分类和评价等）和作用规律，建立制造系统复杂信息尤其是非常规信息的处理与利用机制，对于实现产品加工质量主动预测、制造误差在线补偿和制造过程优化决策均有重要意义。主要研究内容包括：

1) 数字化加工多源多工序质量的综合评估与优化控制

多源多工序质量的综合评估是实现工序驱动的质量控制的前提，也是提高精密复杂零件加工合格率，获得高精度、高可靠性零件制造的一个重要途径。提取多源多工序质量的特征信息，建立工件类、工序流、装备群工况等数字化制造质量特征的全息分析与计算模型，揭示工序质量信息的产生、表达、传递与聚类规律，提供加工过程的质量缺陷预示与消减的共性技术与方法，是确保与工序密切相关的制造装备群在“精确质量控制”模式下运行的关键。主要研究内容包括：

? 数字化加工的多源多工序质量信息的定性分析和度量指标； ? 加工过程的工况监测、预示及服役性能评价； ? 工序驱动的零件加工质量优化控制；

? 复杂精密零件数字化加工质量的综合评估与控制平台。

2) 数字制造系统的复杂信息处理及执行过程决策

实现高效稳定制造必须在系统分析的基础上对制造执行过程进行正确决策。随着制造装备与工艺过程的数字化，综合利用制造信息进行系统分析与决策成为可能。其难点在于制造系统中多源信息的交互关系复杂，处于动态演变之中，并受大量非常规信息的影响。因此，在多源制造信息融合的基础上，综合应用信息关联分析和非常规信息处理等手段，通过优化配置实现数字制造系统的可适应性，通过效能评价与参数优化保障系统的稳定运行，通过对制造执行过程进行正确决策提高系统的运行效率。主要研究内容包括：

? 数字制造系统的信息关联分析及优化配置； ? 多工件复杂制造过程效能评价与参数优化； ? 非常规信息条件下制造执行过程决策； 高效制造执行技术及数字仿真平台。

二、预期目标

总体目标：

本项目瞄准先进制造技术高精度、高效率、高可靠性的发展趋势，针对能源、运载、国防等领域的复杂装备及其关键零部件制造面临的难题，揭示制造装备、制造过程和制造系统中物理现象的动态规律及作用机理；突破数字装备的精密运行控制、制造过程的物理场复合仿真、制造质量综合评估与制造执行过程决策等一批关键技术；创立复杂零件精密制造的若干新原理与新工艺；建立数字化制造的基础理论, 实现基于科学的制造。通过本项目研究，提升我国高端数字装备及其关键零件的独立制造能力，提供国家急需的大型复杂零部件制造的核心技术，并培养一批从事数字化制造科学研究的青年学术带头人和研究骨干。

五年预期目标：

在理论研究方面：

解决高性能制造装备和大型复杂零件精密制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠的数字化制造提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。

? 揭示高性能数字制造装备的动态特性、性能演化和行为响应规律，建立分布式、非线性、时变载荷作用下的精度创成理论；

? 揭示物理场复合作用下零件材料组织与力学性能演变规律，提出零件制造过程多尺度、多学科数字化建模仿真理论与方法，实现工艺参数的优化和对零件制造质量、微观组织、性能、使用寿命的定量预测；

? 揭示数字制造系统的信息关联关系与演化规律，实现多源多工序加工质量综合评估及复杂信息环境下的制造执行过程决策，建立制造系统的高可靠性高效运行机制。

在技术应用方面：

通过本项目研究，在若干关键技术上取得源头创新成果，提升我国数字制造装备及关键零部件的制造水平。

? 突破高性能数控系统自主创新开发的技术难点，建立七轴五联动高性能数控机床的应用验证平台，使直径8米大型舰船用螺旋桨的加工达到特高精度S级；

? 突破巨型模锻装备的高精度同步控制技术，使同步动态精度达到0.5‰；

? 突破下一代大型运载火箭共底构件、导弹天线罩等复杂曲面高效精密加工的技术关键, 使复杂零件加工精度达到1~2微米；

? 构建先进制造过程的多尺度多学科模拟仿真平台，多源多工序加工质量控制与执行过程决策平台，实现零部件的高效制造与性能定量预测。

本项目研究过程中，拟发表SCI收录的论文200篇以上，其中国际著名刊物论文100篇以上，获得专利20～30项；形成具有重要国际影响的数字化制造研究队伍，争取1个国家创新团队；涌现出一批优秀中青年人才，包括站在国际前沿的学术带头人1～2人，国家杰出青年基金获得者2～3人；培养博士生、硕士生150人。

三、研究方案

（1）学术思路

如图1所示，结合国家对制造技术的重大需求和科技发展趋势，围绕三个关键科学问题开展多学科交叉基础研究，在数字化制造的共性基础理论和关键技术上取得突破，为重大装备关键零部件数字化制造提供理论基础和技术平台。

?

制造技术需求 关键科学问题

?

主要研究内容 高性能数控机床行为响应与精度强化

大惯量大行程高精度运动控制 物理场复合作用与建模

多尺度数字仿真与优化

高性能复杂曲面精密加工 数字化加工质量控制与优化

源头创新成果 高性能数控机床应用示范 巨型成型装备数字化实现

? 重大关键基

础制造装备

? 高精度、高

可靠控制 大型装备关键零部件精密制造

?

数字制造装备的动态行为与性能演变规律

?

?

制造过程的物理场影响机理及其数

数字制造系统的信息作用规律与决

?

?

制造过程多尺度、多学科数字仿真平台

制造过程的定量分析与

?

复杂曲面数字

图1 项目整体学术思路

（2）技术途径

本研究的技术路线是：针对国家制造业的重大需求，从重大基础装备（高端数控机床和巨型模锻装备等）和高性能机械构件制造的关键技术中提炼出共性科学问题，分别从制造装备、制造过程和制造系统三方面进行研究。理论研究、技术开发和应用示范相结合，建立数字化制造理论基础和关键技术平台。

在制造装备研究方面，研究物理场复合作用（包括温度场、应力场/应变场、电磁场等）对装备性能的综合影响规律，分析高速加工中的非线性、时变载荷等因素对加工精度和效率的影响；在制造过程研究方面，通过数字化建模、仿真、优化与实验验证相结合的途径，实现制造质量的预测和控制；在制造系统研究方面，综合应用现代信息处理技术研究多源信息的作用规律，揭示多工序加工工况、装备群服役性能与工件质量特征信息间的关联关系，建立复杂信息环境下的制造执行过程决策理论，实现高效数字化制造。

（3）特色与创新

建立数字制造的基础理论体系，使制造从部分定量、部分经验、定性化逐步转向全面数字定量化，实现基于科学的制造，并在关键技术上取得源头创新成果。

a) 基于科学的制造：数字化制造将依靠经验的制造转变为基于科学的制造。本项目将在多学科综合与交叉的基础上，建立数字化制造的理论基础，促进制造科学的发展。 b) 制造技术的突破：(1)提供能源、运载、国防等领域有重大

需求的精密、复杂构件的数字化加工关键技术；(2)提供高精密数控机床和大型模锻装备的数字化控制技术；(3)突破2级精度精密螺旋锥齿轮批量加工中的关键技术；(4)提高制造系统多源信息处理和多参数高效控制的能力。

研究方法的创新点：

? 高端数控机床的多轴运动方程和力热耦合方程的正向求解及逆问题求解，建立高速、高精度多轴运动控制的新原理和新方法；

? 通过多体接触的力-变形耦合建模和大型超静定结构中的力流传递分析，建立制造界面微分变形的力学和运动学反演模型，实现重载成形装备的精密运行控制；

? 建立形位空间和旋量空间中的分析、推理和综合理论，实现测量、建模、操作、加工的一体化；

? 基于物理性能和几何量关联约束的复杂曲面逐点精确去除加工方法；

? 多源多工序工况监测、预示及性能预测相结合的质量综合评估与优化控制。

（4）可行性分析

由于国民经济高速发展及能源、运载和国防工业的巨大需求，我国政府高度重视制造业，“国家中长期科学和技术发展规划”专题三“制造业发展科技问题研究”建议将“数字化、智能化设计制造及基础制造装备”列为重大专项，为本项目的实施提供了十分难得的机遇。

本项目组成员在计算制造、数控技术以及先进成形制造的研究过

程中，对项目部分研究内容进行了前期探索，并在数字制造装备的控制、制造过程数字建模与仿真、复杂曲面数字化加工等方面取得了不同程度的进展，可望通过进一步研究在这些关键问题上取得理论或方法上的突破。前期研究的大型构件模锻水压机、华中I型开放式数控系统、大型功能曲面特种加工机床等软硬件系统，为本项目的研究提供了很好的技术平台。

六个申请单位在制造领域和相关学科都有很强的研究力量和很好的研究基础，拥有国家数控系统工程技术研究中心，塑性成形模拟及模具国家重点实验室，振动、冲击、噪声国家重点实验室和机械制造系统工程国家重点实验室等研究基地，为本项目的顺利开展提供了支撑。在科技部863计划和国家自然科学基金重大、重点和面上项目的资助下，已开展了有关先进制造技术的先期研究，为本项目提供了较好的理论和技术基础。本项目有一支由院士、长江学者、国家杰出青年基金获得者和优秀中青年骨干组成的稳定的学术梯队，为本项目的完成提供了人才保障。

（5）组织方式

本项目集中了国内六所优势研究单位的多个强有力的学术群体，进行了明确的分工，在发挥各自专长的同时将定期组织学术交流，避免分散、孤立和重复研究；将与国际同行加强交流、保持密切的学术联系，保证研究工作的前沿性。

（6）课题设置

围绕三个关键科学问题，将项目研究内容分为制造装备、制造过

程、制造系统三类七个课题，如图2所示。针对第一个科学问题，设置课题一和课题二，分别以高性能数控机床和巨型塑性成形装备两类典型数字制造装备为研究对象，揭示数字制造装备在复杂工况下的动态行为及性能演变规律，建立非线性、时变载荷作用下的精度创成理论。针对第二个科学问题，设置三个课题，分别从加工和成形两个方面揭示制造过程中物理场作用机理，建立高性能复杂曲面零件的数字化精密制造理论以及相应的加工新原理和新工艺。针对第三个科学问题，设置课题六和课题七，分别从质量控制及高效制造两个方面，研究数字制造系统信息作用机理，建立多源多工序制造质量综合评估及优化控制理论，建立复杂信息环境下执行过程的决策机制。通过上述七个课题的研究，在关键技术方面取得源头创新成果，形成数字化制造理论体系，并创建关键技术平台，为能源、运载、国防等领域高精度复杂零部件的数字化制造提供新原理和新方法。

科学问题 动态行为与性能演变规律 课题一 高速数控机床动态行为演变及其高课题二 巨型成形装备的力流传递特征及高精度控制 技术难点 高精度 高效率 多尺度 大载荷 高可靠性 精度制造界面形成 课题三 数字制造过程物理行为建模与精度创成原理 物理场影响机理 课题四 高性能复杂曲面数字化精密加工的新原理和新方法 课题五 先进成形制造过程的多尺度数字仿 真与优化信息作用规律与决策机制 课题六 数字化加工多源多工序质量的综合评估与优化控制 课题七 数字制造系统复杂信息处理及执行过程决策 数字化制造理论基础 数字化制造新方法与新原理

关键技术 平台 图2 课题设置思路

课题1：高速数控机床动态行为演变及其高精度控制

研究目标：揭示高性能数控机床在高速、高加速度情况下的力、热耦合特性及其行为响应规律；探索高性能数控机床非线性时变动态特性对加工质量和效率的影响机理与敏感性，建立加工性能的演变模型；提出基于行为响应规律的智能控制方法，实现加工精度强化。为高性能数控机床的自主创新提供理论依据和技术手段。

研究内容：

（1）数控机床多轴力、热耦合特性分析及数字建模

在高速、高加速度情况下，分析多轴运动单元的动力学特性、热稳定性及其非线性耦合效应(考虑结构、间隙、动/静刚度、摩擦特性等因素)，并建立其数字模型；研究复杂工况激励的行为响应规律。 （2）数控机床动态性能对加工质量和效率的影响及其敏感性分析 研究数控机床动态性能参数的提取方法，分析其时变特性对加工质量和效率的综合影响及敏感性，建立数控机床加工性能演变模型，提出数控机床加工性能的动态评价方法。 （3）数控机床的智能控制与加工精度强化

研究数控机床复杂工况的在线辩识；研究基于行为响应规律和性能演变的智能控制方法；研究数控机床服役期内的可靠性评估方法和主动维护策略；研究高速、高加速度多轴加工的误差传递模型，提出数控加工精度强化策略和方法。

（4）多轴高性能数控机床的示范应用

基于数控机床的力、热耦合特性、加工性能演变机理和智能控制等基础理论和共性技术，在大型高性能多轴联动复合加工制造装备上进行示范应用，包括物理量检测、特征提取、状态/工况检测、性能参数辩识、智能控制、主动维护等功能环节，实现复杂工况下的加工精度强化。

经费比例：16.15％

承担单位：华中科技大学、上海交通大学 课题负责人：李 斌教授、孟 光教授

学术骨干：彭芳瑜、吴波、毛宽民、朱平、胡友民、黄禹、轩建平、赵玫、唐小琦、叶伯生、师汉民、杨叔子、李鸿光

课题2：巨型成形装备的力流传递特征及高精度制造界面形成 研究目标：针对巨型成形装备结构特点和高性能大构件塑性加工的均匀连续能场要求，揭示复杂超静定结构中载荷传递与变化规律，分析模锻装备运行过程中奇异力学行为，研究复杂构件多维形变在制造界面的集聚效应，建立大惯量、大变载精确运行的数字模型，为巨型成形装备的数字化高性能可靠运行提供理论与技术支持。 研究内容：

（1）巨型成形装备的力流传递规律与偏载奇异效应

分析巨型成形装备中复杂大型超静定结构的几何非线性、接触非线性、工件大变形等特点，揭示多元驱动、多体并联结构中的非线性分载规律、力流在叠层结构中的扩散传递规律；研究偏载产生的机制，揭示有效载荷与无效内耗（偏载奇异效应）的作用规律；研究复杂组合结构的内力场产生机理及其对局部应力畸变的影响。 （2）大惯量大行程运动的动态精度形成原理

分析大惯量、大变载机械系统与多元并联大流量液压系统动力传递耦合关系；分析运动副间隙、附加约束、碰撞等对系统瞬态位置的扰动；建立其多体动力学模型、机械－液压动态控制模型；提出多元驱动、大惯量、大行程运动的动态精度形成原理。

（3）巨型成形装备制造界面的位置、形态与界面力场模型 研究时变负载条件下成形装备拉、压、弯、扭、剪等多维、多元复杂应力状态与变形在结构中的复合及其对制造界面空间位置的集聚效应和对制造界面外力分布的影响，建立巨型成形装备制造界面的位置、形态与界面力场模型。

（4）巨型成形装备高效、高可靠、高精度运行的数字化实现 研究巨型成形装备非线性力学模型及其在高度异构特性下的数字描述。建立制造界面位置、形态与力场分布间的映射关系，提出逆问题求解方法，制定运动控制策略，实现巨型成形装备的奇异力学行为数字化预测与高精度运行控制。 经费比例：9.5％ 承担单位：中南大学 课题负责人：黄明辉教授

学术骨干：刘少军、李涵雄、王艾伦、蒋炳炎、夏建芳、周 英、刘德福、帅词俊

课题3：数字制造过程物理行为建模与精度创成原理

研究目标：揭示数字制造过程中的物理场复合作用机理及其对零件质量与性能的影响规律；建立物理约束、几何约束与产品性能约束的相容性条件，提出相容性约束条件下加工制造工艺的优化方法，为复杂零件高精度创成提供理论基础及数字化平台。 研究内容：

（1）加工制造中物理场复合作用机理及其数字仿真

研究切削力、应力-应变及温度场的复合作用机理及其与零件质量之间的映射规律，分析零件表面的三维形貌生成机理，建立零件精度分析和预测模型。研究物理场的状态可观测性、工艺过程的动态稳定性及可控性条件。结合复杂零件的铣削加工，对物理场复合作用下的加工过程进行仿真，预测加工过程中零件误差、表面结构缺陷。 （2）物理约束、几何约束与零件性能约束相容性分析

研究混合约束的数字化表达，其中物理约束包括加工装备的动静态特性、切削力与切削速度、刀具刚度特性、材料特性等，几何约束包括运动学约束、夹具的封闭性与可达性等，零件性能约束包括零件的功能、质量、可靠性等。高精度零件的制造必须满足以上多种不同性质的约束。根据物理场对零件质量的复合作用机理，建立物理约束、几何约束及零件性能约束的相容性分析模型，提出可制造性定量分析理论。

（3）加工制造过程的工艺优化与精度保证

分析相容性约束条件下的新工艺可行性，构造工艺参数的可行空间，提出工艺过程优化模型及其高效求解方法。研究有效的测量与误差建模方法，建立零件加工误差与工艺参数之间的反演模型，制定制造误差补偿与控制策略。

（4）高精度零件制造的数字化仿真平台

结合典型复杂零件的加工，建立数字化加工过程仿真平台。该系统集成了加工工艺参数、加工质量数据及实验数据等信息，主要功能包括切削力预测、温度场分析、应力场分析、零件质量预测以及针对不同加工工况的模型校准等。

经费比例：21.15％

承担单位：华中科技大学、上海交通大学 课题负责人：丁 汉教授、朱向阳教授

学术骨干：熊蔡华、朱利民、朱文凯、权建洲、盛鑫军、舒正荣

课题4：高性能复杂曲面数字化精密加工的新原理和新方法 研究目标：揭示复杂曲面物理性能生成机理，创立性能驱动的复杂曲面逐点精确去除加工新方法，创立数字化局部共轭曲面新原理，突破

高物理性能和高几何精度复杂曲面精确创成的关键技术，为我国重大工程中的关键零部件（导弹天线罩、大型运载火箭共底构件、火箭发动机喷管、整体叶轮、高速精密螺旋锥齿轮等）精密加工与装备制造提供理论方法和技术支撑。 研究内容：

（1）基于零件物理性能与几何特征映射关系的复杂曲面生成方法 分析复杂曲面物理性能与几何特征的映射关系，建立多源约束与曲面参量的非线性耦合隐式模型；研究加工过程力/热耦合变形及其对面形生成的影响规律；揭示加工过程中复合材料零件表面的多尺度形貌特征生成机理，建立高性能复杂曲面生成的数学模型。 （2）复杂曲面多源离散信息的结构化方法与误差消减

研究多场、多源信息基于复杂曲面零件物理性能和几何量关联约束的采样规则，研究多源多坐标测量中病态区域辩识和剔除的方法；建立海量多源离散信息的快速结构化数学模型，提出测量误差消减方法。 （3）面形随机复杂曲面零件的逐点精确可控去除加工新方法 研究面形随机的复杂曲面零件缺陷逐点精确去除控制原理；建立多源、多坐标测量与加工仿真模型，制定多源约束条件下工具的运动控制策略；结合典型零件加工，构建性能驱动的复杂曲面零件数字化加工应用示范平台，实现高物理性能复杂曲面零件的精确创成。 （4）高性能高精度局部共轭曲面生成与制造过程精确控制 研究受控于多尺度几何误差、切削区热/力约束的局部共轭螺旋锥齿轮啮合曲面机械与传动性能生成规律；研究高性能螺旋锥齿轮曲面多轴数字制造误差抑制方法；研究切削区最优热/力/工艺参数匹配理论与方法，建立基于几何与物理量约束的局部共轭曲面数字化啮合新原理和螺旋锥齿轮数控精密切齿新方法。

经费比例：17.1％

承担单位：大连理工大学、中南大学 课题负责人：郭东明教授、唐进元教授

学术骨干：赵福令、严宏志、王晓明、曾韬、王永青、曹利新、孙玉文、杨睿

课题5：先进成形制造过程的多尺度数字仿真与优化

研究目标：针对我国能源、运载、国防及装备制造等支柱产业的新产品开发对新一代精确成形制造方法与技术的需求，选择对零件性能有重要影响的先进成形制造方法（如熔模精密铸造和复杂薄壁铝、镁合

金精确铸造成形及先进热压塑性成形），揭示零件成形制造过程物理场作用下材料组织与力学性能演变规律，研究零件成形制造过程多尺度、多学科数字化建模仿真理论与方法，提出零件成形制造质量、微观组织、性能、使用寿命预测方法，开发数字化零件成形制造模拟仿真和零件性能预测系统，促进我国的成形制造技术进步。 研究内容：

（1）精确铸造成形过程多尺度物理/数学建模与仿真

针对能源、航空航天工业的定向凝固熔模精密铸造零件和航天、运载、军工行业的复杂薄壁铝、镁合金精确成形铸件，综合考虑宏观的传输现象和微观的形核与生长动力学，研究铸造成形过程中动量、能量、质量传输及微观组织形成的多尺度、多学科的数理模型与仿真。 （2）精确成形铸件的组织、性能与疲劳寿命预测

精确成形铸件的力学性能与疲劳寿命直接关系到能源、运载及航空航天用铸件的使用性能与安全性能。研究精确成形铸造过程中铸件的微观组织形成与演变、微观缺陷产生，及其对力学性能的影响规律，建立工艺参数优化及质量评估系统仿真平台，实现零件的组织、性能与使用寿命的预测。

（3）精密模锻流变成形本构规律及模锻载荷预测建模

研究大型锻件结构特性、成形过程中的变形温度、变形速率、变形程度对变形抗力的影响，揭示金属塑形成形中的非线性本构规律，建立多参数强流变精密模锻成形载荷预测模型，为模锻装备运行提供数字化控制依据。

（4）高性能复杂构件塑性成形组织性能预测建模与仿真

高性能锻件必须流线连续、细晶致密、各向同性，大尺度复杂构件模锻过程的重要特点是流变界面形态的不确定性和流变参数的时变性，导致成形过程组织结构与性能的不均匀。研究流变温度、流变速率、变形程度在复杂成形中的变化规律及其与锻件组织性能的强关联机制，建立锻件组织性能评估模型，并实现其数字化预测。 经费比例：15.2％

承担单位：清华大学、中南大学 课题负责人：柳百成院士

学术骨干：熊守美、易幼平、许庆彦、李建平、康进武、邓圭玲 课题6：数字化加工多源多工序质量的综合评估与优化控制 研究目标：以精密复杂零件多工序数字化加工过程为研究对象，通过研究质量特征的综合分析、度量和评估，提出零件误差、缺陷等在内的质量特征信息的产生、表征、传递、监测与解耦方法，揭示多工序加工工况、服役性能与质量特征间的关联关系，实现多源多工序数字

化加工中工序驱动的制造质量控制，为复杂零件的高精度、高可靠数字化加工提供技术保证。 研究内容：

（1）数字化加工的多源多工序质量信息的定性分析和度量指标 研究多源多工序质量特征信息的生成、表达、传递与聚类的建模理论；研究多源多工序质量特征的检测传感网络的构形、容错性与可靠性度量指标；研究多源多工序质量信息的跟踪与控制策略，揭示零件误差、缺陷等质量信息的变化规律。

（2）加工过程的工况监测、预示及服役性能评价

研究多源多工序复杂工况监测、信号处理的原理与方法；建立工况与零件误差、缺陷等质量特征信息的映射、解耦及预示模型；研究装备群的加工效率、精度和可靠性评估模型；揭示装备群的服役性能退化机理和失效规律。

（3）工序驱动的零件加工质量优化控制

建立加工过程中“工件类－工序流－装备群工况”的特征综合模型及质量保证机制；研究批量客户化和小子样生产条件下的工序质量在线控制与评价方法；研究工序驱动的质量优化控制以及零件综合质量缺陷消减方法。

（4）复杂精密零件数字化加工质量的综合评估与控制平台 以复杂精密零件为具体应用对象，建立数字化加工多源多工序质量的综合评估与优化控制的平台，包括质量信息获取、处理与交互的实现技术，以及工况监测、预示与服役性能评价与质量信息跟踪的可视化技术等。

经费比例：11.4％

承担单位：西安交通大学 课题负责人：江平宇教授

学术骨干：屈梁生、何正嘉、赵 宏、陶涛、张西宁、周光辉、訾艳阳、孙挪刚、蒋克俭、陈雪峰

课题7：数字制造系统复杂信息处理及执行过程决策

研究目标：以多源复杂制造信息融合与关联分析为基础，研究数字制造系统优化配置原理与方法。建立多工件复杂制造过程的综合效能评价模型与参数优化策略。实现非常规信息的识别、分析与处理，建立复杂信息环境下的制造执行过程决策机制与优化方法，为实现高效稳

定的数字制造提供理论与技术支持。 研究内容：

（1）数字制造系统的信息关联分析及优化配置

揭示数字制造系统组元的信息融合和交互作用机理，通过多源制造信息之间的聚合度和耦合度分析建立关联模型。研究制造需求信息和制造能力信息的匹配关系，揭示系统结构模块对需求变更的敏感关系，研究制造系统优化配置原理和方法。

（2）多工件复杂制造过程效能评价与参数优化 研究多工件复杂制造条件下设备能力、工艺规程及工件特征等因素的综合作用规律，建立制造过程综合效能评价模型。揭示参数变化对制造系统的影响模式，建立复杂制造过程中关键参数的优化策略。 （3）非常规信息条件下制造执行过程决策

研究非常规（不确定、冗余、病态、残缺、矛盾等）制造信息的识别与分析方法，利用信息增值计算实现决策规则提取。揭示多元信息对决策过程的影响规律，研究基于软计算的决策建模理论。综合应用约束消减及不确定推理等方法实现制造执行过程决策。 （4）高效制造执行技术及数字仿真平台

研究高效制造执行的关键技术，包括制造资源封装技术、信息处理的多智能体技术及最优生产技术等。结合具体应用对象，开发支持数字制造系统建模、决策与优化的数字仿真平台，对理论成果与关键技术进行验证。

经费比例：9.5％

承担单位：华中科技大学、大连理工大学 课题负责人：李培根院士

学术骨干：张国军、黄刚、朱海平、高航、邓超、喻道远、李小平、饶运清

四、年度计划

第 性分析； 研究内容 预期目标 (1)数控机床力、热动态特性及稳定(1)提出数控机床基础构件、运动单元动态特性、热特性及稳定性的分析(2)数控机床单元部件动力学建模； 方法； (3)数控机床力、热动态特性实验平(2)建立数控机床单元部件动力学特台构建； 性的数字模型； 一 (4)数控机床的故障特征表达； (3)建立用于数控机床动态特性分析

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