第六章先進制造系統Advancedmanufacturesystem先進制造技術Contents6.1先進制造系統概述6.3效益化制造系統6.5總結6.2智能化制造系統6.4生態化制造系統6.1先進制造系統概述-3--4-6.1先進制造系統概述先進制造系統內涵當代信息技術、自動化技術、現代企業管理技術和通用制造技術的有機結合；傳統制造技術不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源及現代管理技術成果，將其綜合應用于制造全過程；實現優質、高效、低耗、靈活生產，獲得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。蔚來汽車合肥生產基地實現自動化、智能化、柔性化、生態化生產，取得經濟收益和市場效果食品加工上料裝置自主式制造系統中，生產計劃依據庫存數量而非客戶訂貨數量制定。訂單式制造系統中，生產計劃根據客戶訂貨進行:按訂貨設計，適合于具有很大的技術復雜性及小批量的產品；按訂貨加工，適合于在訂貨之前已完成設計，按訂貨進行加工的產品；按訂貨裝配適合于在訂貨之前已完成設計及零部件加工，按訂貨進行裝配的產品；-5-6.1先進制造系統概述按生產計劃分類按層次結構分類單元級制造系統車間級制造系統企業（工廠）級制造系統全球制造系統。先進制造系統分類-6-6.1先進制造系統概述以低消耗創造高效益、高勞動生產率低消耗意味著低成本，從而可以創造高效益。提供有競爭力的優質可售產品產品的工程設計過也不僅僅是為保證其無缺陷，而且還要從許多方面使用戶滿意。滿足環境保護和生態平衡的要求市場需求要求企業工藝系統以及設備向“環境安全型”轉化。具有迅捷響應市場的能力重視制造過程組織和管理體制的簡化與合理化，使硬件、軟件和人集成的大系統的組成和體系結構具備前所未有的柔性。先進制造系統特點-7-6.1先進制造系統概述先進制造系統發展是與制造業所面臨的市場競爭環境密不可分的如今衡量一個制造企業的實力與規模重要的指標就是制造系統的集成化、自動化水平。先進制造系統發展歷史6.2

智能化制造系統-8--9-6.2智能化制造系統每一個時代均有各自時代的先進制造，逐漸從自動化發展到如今的數字化、網絡化和虛擬化等智能化制造，而智能化制造是未來制造業發展的核心。

數字化制造廣義上指將信息技術用于產品設計、制造以及管理等產品全生命周期中,以達到提高效率和質量，降低成本，實現快速響應市場的所涉及的一系列活動的總稱。主要特點：產品數字化：數字化技術在產品中得到普遍應用，形成“數字一代”創新產品；信息無紙化：廣泛應用數字化設計、建模仿真、數字化裝備等，表現為無紙化設計、無紙化生產、無紙化辦公；過程協同化：從技術到管理、從企業到全社會的組織與個人，制造資源具有分布性與共享性對象：數字化設計數字化裝備數字化加工數字化管理數字化企業-10-數字化制造主要由基礎技術、單元技術和集成技術組成，每個技術都涵蓋各自上中下游的具體部分，核心是管理方式的完善和提高生產作業層的數字化。管理辦公層的數字化。戰略決策層的數字化。協作商務層的數字化。數字化制造的關鍵技術數字化制造的層次按生產計劃分類數字化制造的應用層次（由下至上）6.2智能化制造系統-11-網絡化制造網絡化制造是制造業利用網絡技術開展產品設計、制造、銷售、采購、管理等一系列活動的總稱，涉及企業生產經營活動的各個環節。網絡化制造的概念特點特點說明數字化借助信息技術來實現真正完全的無圖紙化虛擬設計和虛擬制造敏捷化對市場環境快速變化帶來的不確定性做出的快速響應能力分散化資源的分散性和生產經營管理決策的分散性動態化依據市場機遇存在性而決定網絡聯盟的存在性協同化動態網絡聯盟中合作伙伴之間的緊密配合，共同快速響應市場和完成共同的目標集成化制造系統中各種分散資源依靠電子網絡能夠實時地高效集成原理6.2智能化制造系統-12-網絡化制造網絡化的實施與運維是促進企業間有關資源互補、共享、最佳配置，實現制造的有序化整體化、全球化以及效益化與人性化的一體化，達到最優服務，實現服務制造一體化的關鍵。網絡化制造系統的實施工作步驟網絡化制造系統的運維步驟實施與運維6.2智能化制造系統-13-虛擬制造三類虛擬制造的比較虛擬制造是采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，完成產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗等以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造的特點：簡易性：可反復修改分布性：人員和設備在空間上可分離并行性：產品設計、加工過程和裝配等過程的仿真可并行進行類別特點主要目標主要支持技術以設計為核心的虛擬制造(Design-CenteredVM)為設計人員提供制造信息；使用基于以設計為核心的虛擬制造的仿真以優化產品和工藝的設計；在計算機上生成多個樣機評價可制造性特征造型；面向數學模型設計；加工過程仿真技術以生產為核心的虛擬制造(Production-CenteredVM)建立制造過程仿真模型，以快速評價不同的工藝方案；提供資源需求規劃、生產計劃的產生及評價的環境評價可生產性虛擬現實；嵌入式仿真以控制為核心的虛擬制造(Control-CenteredVM)將仿真加到控制模型和實際處理中；可直接仿真使實際生產周期期間不優化優化車間控制優化制造過程仿真技術：對離散制造實時動態調度；對連續制造最優控制6.2智能化制造系統-14-虛擬制造虛擬制造的主要目標及體系結構各類虛擬制造相互連接，并提供了將相互獨立的制造技術集成在一起的虛擬體系結構環境。虛擬制造的分類與關系虛擬制造的體系結構6.2智能化制造系統-15-智能制造使能技術云計算技術智能制造使能技術是為智能制造基本要素（感知、分析、決策、通信、控制、執行等）的實現提供基礎支撐的共性技術，如云計算、大數據、物聯網、數字孿生等。云計算是利用互聯網實現隨時、隨地、按需、便捷地訪問共享資源（如服務器、存儲器、應用軟件等）一種新型計算模式。云計算與全球互聯網相連6.2智能化制造系統-16-云計算技術云制造服務內容與技術基礎云計算技術架構以云計算為基礎的云制造系統，在支持制造業在廣泛的網絡資源環境下，可為產品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務，其未來具有較大的發展空間。

資源云池化云計算模式的特征：彈性服務服務可計費泛在接入6.2智能化制造系統-17-大數據技術大數據與傳統數據特征比較：大數據可認為是其數據量超出常規數據工具的獲取、存儲、管理和分析能力的數據集，是蘊含海量信息的數據集合。具有典型的“4V”特征：①Volume（量）②Variety（多樣化）③Velocity（速度）

④Veracity（真實性）特征大數據傳統數據數據規模常以GB，甚至是TB、PB為基本處理單位以MB為基本單位數據類型種類繁多，包括結構化、半結構化和非結構化數據數據類型少，且以結構化數據為主數據模式難以預先確定模式，數據出現后才能確定模式，且模式隨著數據量的增長也在演化模式固定，在已有模式基礎上產生數據數據對象數據作為一種資源來輔助解決其他諸多領域問題數據僅作為處理對象處理工具需要多種不同處理工具才能應對一種或少數幾種即可應對6.2智能化制造系統-18-大數據技術技術架構：數據采集與預處理

數據分析與挖掘機器學習人工智能深度學習數據存儲與管理大數據隱私與安全計算模式與系統大數據處理技術架構數據挖掘方法6.2智能化制造系統-19-物聯網技術物聯網技術體系結構物聯網是通過傳感設備，按照約定的協議，可將任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。基本特征：①

全面感知；②

可靠傳遞；③

智能處理6.2智能化制造系統-20-數字孿生技術數字孿生技術是利用數字技術對物理實體對象的特征、行為和形成過程等進行描述建模的技術。可用來模擬監控、診斷、預測、控制物理實體在現實環境中的形成過程及其狀態行為。各先進復雜零件的數字孿生體6.2智能化制造系統-21-數字孿生技術數字孿生車間結構組成數據驅動與物理模型融合的狀態評估全生命周期數據管理虛擬現實技術關鍵技術：多領域、多尺度的融合建模數據采集和傳輸高性能計算數字孿生車間運行機制以北京航空航天大學陶飛教授提出的數字孿生車間概念闡述數字孿生技術的具體應用：6.2智能化制造系統-22-智能制造面臨的問題與挑戰智能制造基礎共性和核心技術裝備支撐不足中小企業推進智能制造步履維艱智能制造服務市場有待完善智能制造人才供給壓力突出智能制造發展建議強化智能制造技術自主創新加快推進制造企業智能化改造升級完善智能制造生態體系建設加強政策支持促進智能制造發展搭建多層次的智能制造人才培養體系世界工業化發展6.2智能化制造系統6.3

效益化制造系統-23--24-6.3效益化制造系統效益化制造，是指在制造系統中不斷提高制造資源的生產率，使人盡其才，物盡其用，追求系統效益的最大化。效益化與人性化是對立統一的關系，并且人性化是主要的。主要內容包括：制造產品的效益化，如高效化，精密化制造過程的效益化，如快速化，節省化制造手段的效益化，如數字化，自動化效益化制造效益化制造定義：-25-敏捷制造的定義敏捷制造是指將柔性生產技術，有技能、有知識的勞動力與能夠促進企業內部和企業之間合作的靈活管理集成在一起，通過所建立的共同基礎結構，對迅速變化的市場需求做出快速響應的一種制造模式。敏捷制造的要素敏捷制造主要包括三大要素：生產技術、人力資源和管理手段生產技術。具有柔性化、并行化、信息化和集成化等特點。人力資源。其特點包括創造性、主動性、開發性、專業性、動態性和真實性。管理。管理的靈活性表現在從外部和內部的兩方面關注組織的柔性，對外的組織形式是虛擬企業，對內的組織形式高柔度性的和動態可變的。敏捷制造6.3效益化制造系統-26-敏捷制造的研究內容敏捷制造被認為是21世紀的先進制造策略，它涵蓋了多個重要領域和子系統，每個領域都對制造業發展和提高效率起到關鍵作用。敏捷制造的內容6.3效益化制造系統-27-敏捷制造數字化高效協同管理創新實踐案例柔性。它包括機器柔性、工藝柔性、運行柔性和擴展柔性等。重構能力。它能實現快速重組重構，增強對新產品開發的快速響應能力。快速化的集成制造工藝。例如，快速成形制造是一種CAD/CAM的集成工藝。支持快速反應市場變化的信息技術。敏捷制造的三個協作平臺敏捷制造的應用6.3效益化制造系統-28-協同制造是指充分利用互聯網技術為特征的網絡技術、信息技術，實現各制造任務的協同運行和制造鏈的完整配合，最終通過改變業務經營模式達到資源最充分利用的目的。協同設計的內涵協同制造的原理6.3效益化制造系統-29-發展階段系統性能系統目標剛性制造系統生產能力、系統均衡性成本柔性制造系統系統柔性、系統可靠性成本、質量計算機集成制造系統系統集成性、系統并行性時間、質量、成本協同制造系統系統敏捷性、系統協同性環境、時間、質量、成本、服務系統協同性

組織虛擬化系統敏捷性

技術最優化系統并行性

系統可靠性協同制造本質上是網絡環境下的一種合作制造模式，表格則表明了制造系統內涵的擴充、系統性能特征的變化和目標的多元化發展。協同制造的特點6.3效益化制造系統-30-類型說明舉例獅式供應鏈以基金等金融資本主導的企業群所建立的“1+N”模式。其中，1是資本化的鏈主(自然人或法人)；N是供應鏈各環節。美國的微軟公司、蘋果公司等狼式供應鏈以商社等商業資本主導的企業群所建立的“N+1”模式。其中，N是供應鏈各環節；1代表商社等商業資本鏈主。日本三井、三菱、勸銀等羊式供應鏈以國有資本主導的企業群組成的“1+1+N”模式。其中首1是國有資本的代表黨委書記，國有資本往往是企業真正的鏈主；次1是國聘高端職業經理人、董事長；N是供應鏈各環節中國一汽集團、廣汽集團等協同供應鏈協同產品商務特點功能內容協同處理支持群體人員的協同工作通信系統，人力資源管理，企業內網和外網訪問內容管理管理網上需要發布的各種信息企業內信息的傳播，Web網的信息發布，品牌宣傳交易服務電子交易開拓了新的市場和新的盈利方式全天候服務，售前售后信息服務和支付電子化協同制造的應用6.3效益化制造系統-31-精益生產的核心內容是準時制生產方式JIT（Justin-time），該種方式實現了“在必要的時刻生產必要數量的必要產品”，從而徹底消除產品制造過程中的浪費，以及由其衍生出來的種種間接浪費，實現生產過程的合理性、高效性和靈活性。精益生產是在JIT生產方式、成組技術GT以及全面質量管理TOC的基礎上逐步完善的。精益生產的體系構成精益生產的內涵6.3效益化制造系統-32-原則是指觀察問題和處理問題的準則，原則也是人類行為不容置疑的基本道理。實施精益生產應遵循九項基本原則:原則說明客戶至上價值。站在客戶的立場上，以客戶滿意為最終評價標準。關注流程流動。精益生產關注價值流（從接單到發貨過程的一切活動），員工只需對15%的問題負責，85%歸答于制度流程需求拉動拉動。強調按需求生產，以訂單量為依據，實施并行工程，快速響應市場的變化。一次做對保質。精益生產要求及時解決問題，質量意識貫串始終。降低庫存零庫存。精益生產認為庫存是企業的“禍害”，不是必不可少的“緩沖劑”精益供應共贏。精益生產著眼于降低整個供應鏈的庫存，做好工作流程標準化。現地現物現場。它是發現問題的工具。親臨現場查看，以徹底解決問題。以人為本人本。體現在三個方面：充分尊重員工、重視培訓、共同協作。盡善盡美完美。沒有任何事物是完美無缺的，必須持續改進，沒有問題就是問題。精益生產的實施原則6.3效益化制造系統-33-①根據客戶需求重新定義價值②按照價值流重新組織全部生產活動③使價值流流動起來④用客戶的需求拉動價值流⑤解決“瓶頸”工序問題⑥盡善盡美，這是永無止境的改進過程應用精益生產的一個基本條件是生產的重復性。不同的企業具有不同的特點：對于流程式企業（比如化工、醫藥等），一般偏好設備管理，如全面生產管理；對于離散式企業（比如機械、電子等），生產線的布局以及工序都是影響生產效率和質量的重要因素，因此注重準時化、看板、零庫存和標準化。實施精益生產一般用以下六步法：精益制造精益制造的實施6.3效益化制造系統6.4

生態化制造系統-34-6.4生態化制造系統綠色制造是一種綜合考慮人類需求、環境影響、資源消耗、社會效益和企業效益，具有良心、社會責任感和處事底線，可持續發展的先進制造模式。制造領域：包括產品生命周期全過程；環境領域：人類的生存環境如何實現零污染；資源領域：人類有限的資源如何最有效地利用。風力發電廠可再生電池板綠色制造定義綠色制造領域在產品全生命周期中，使產品對環境領域可行的資源領域自然環境的負面影響最低，對自然生態無害或危害極小，使資源利用率最高，能源消耗降到最低。即追求綜合效益的最優。-36-生態效益指企業在生產中使自然生物系統對人類的生產條件、生活條件和環境條件產生的有益影響和有利效果。經濟效益指企業的生產總值（有用成果）同生產成本之間的比較。社會效益指企業活動對社會發展所起的積極作用或產生的有益效果。綜合效益指企業同時考慮生態效益、社會效益和經濟效益的有機統一綠色制造定義6.4生態化制造系統傳統制造的產品全生命周期，是一個從“搖籃到墳墓”的過程，即從產品使用到報廢。綠色制造的產品生命周期可以分為三個循環，分別為產品再使用、再制造和再循環，是一個從“搖籃到搖籃”的過程。傳統制造過程綠色制造過程與傳統制造相比，綠色制造的本質是在保證產品功能、質量和成本的同時，實現生態效益、社會效益和經濟效益的協調優化。綠色制造與傳統制造的過程6.4生態化制造系統集成性強調綜合效益，兼顧生態效益、社會效益和經濟效益。預防性適應性經濟性持續性通過削減污染源和回收利用，使廢棄物最小化或消失。使目標符合區域發展需要，又不損害生態環境和保持自然資源。通過生產綠色產品，可節能降耗，降低成本；對廢物的回收利用，既可減少污染，又可創造財富。基于產品多生命周期，從末端治理轉向對生產過程的連續控制，是無窮循環的過程，沒有終極目標。綠色制造優勢6.4生態化制造系統綠色再制造簡稱“再制造”。它是指對廢舊產品進行專業化修復或升級改造，使其質量特性達到或優于原有新品水平的制造過程。盡量加大廢舊零部件的回用次數和回用率；盡量減少再循環和環保處理部分的比例；最大限度地利用廢舊產品中可利用的資源；最大限度地減少對環境的污染；再制造農機再制造汽車零部件綠色再制造定義綠色再制造目標6.4生態化制造系統對比項制造再制造加工對象經加工的新毛坯舊毛坯具有尺寸超差、殘余應力、內部裂紋和表面變形等缺陷前期處理毛坯是基本清潔的，很少需要前期處理毛坯必須去除油污、水垢、銹蝕層及硬化層質量控制質量控制已趨成熟因毛坯損傷的復雜性和特殊性而使質量控制非常困難工藝標準制造過程非常規范再制造過程中廢舊零件的尺寸變形和表面損傷程度存在較大差異對比項維修再制造加工規模針對小批量零件，以手工為主針對大批量零件，以產業化為主技術難度要求單機作業效能高，高技術含量較低既要求單機作業效能高。又要求適應自動線作業修復效果修復效果達不到新品技術指標，具有隨機性再制造產品的質量和性能不低于或超過原有新品再制造與制造對比再制造與維修對比6.4生態化制造系統實施步驟主要包括：廢舊產品的拆解、清洗、檢測評估及分類、再制造成形與加工、裝配、質量檢測與性能考核等。產品修復回收利用通過測試、拆修、換件、局部加工等，恢復產品的規定狀態或完成規定功能。產品改裝通過局部修改產品設計或連接、局部制造等，使產品適合不同的使用環境或條件。產品修復通過測試、拆修、換件、局部加工等，恢復產品的規定狀態或完成規定功能。通過對廢舊產品進行測試、分類、拆卸、加工等使產品或其零部件、原材料得到再利用。再制造實現過程再制造應用形式6.4生態化制造系統資源環境壓力增大市場接受度不高技術瓶頸限制經濟成本問題隨著工業化進程的加速，資源消耗和環境污染問題日益加重，實現綠色制造需要突破一系列關鍵技術，同時也需要更高的投入，如何降低成本成了關鍵問題，并且市場推廣存在難度。綠色制造面臨挑戰6.4生態化制造系統6.5

本章小結-43-制造系統發展本節課程總結-44-回顧與導入回顧上堂課的學習內容，介紹先進制造系統的概念及其重要性。智能制造系統從智能制造系統開始，詳細介紹了其中所應用的先進技術及其架構組成，并分析了其發展趨勢。典型制造系統介紹敏捷制造系統和虛擬制造系統以及并行工程、精益生產理念、全能制造系統。結合自身研究領域和科研課題，講授先進制造系統研究現狀及其未來發展趨勢和方向。6.5

本章小結-45-6.5

本章小結汽車行業的快速發展離不開先進的汽車裝配生產線，先進的制造系統提高了汽車裝配效率，降低了汽車生產成本；日益普遍的手機及其日趨降低的價格歸功于先進制造系統的發展所帶來的高效生產力汽車手機先進制造系統的發展極大的促進了生產力的進步為人民日益增長的美好生活添磚加瓦先進制造系統對社會的影響THANKYOU部分資料來自于網絡，表示感謝!第七章先進制造理念Advancedmanufacturingconcepts先進制造技術Contents7.1高性能制造7.2極端制造7.3本章小結7.1高性能制造-49-7.1高性能制造的需求內涵我國航空航天、高性能武器裝備、重大工程機械、海洋裝備、等空天地海國家重大工程的建設與發展，對高端裝備的性能提出了更高要求。天宮一號飛行器隱身戰斗機高超聲速導彈大型水面艦艇大型盾構機蛟龍號深海探測器高性能制造的需求7.1高性能制造的需求內涵滿足極端環境、復雜工況服役需求的高性能制造裝備和關鍵基礎件等對外依存度達90%以上；核心技術缺失，部分重大裝備落后國際先進國家2代以上。燃氣輪機軸承重載直升機傳動系統大型復合材料構件鋪絲機高性能涂層設備以高端產品高質量發展為目標，通過自主創新實現核心技術自主可控，是保障國家戰略安全的迫切需求。7.1高性能制造的需求內涵飛機鈦合金整體構件發動機葉片航空發動機高超音速飛行器空天飛機-52-航空發動機需要葉片更加輕質，且具有更高的耐熱溫度和抗疲勞特性。飛機機體構件要求輕量化，且需要具備足夠的強度、剛度、抗疲勞特性。高超聲速飛行器及空天飛機的氣動加熱問題，對于熱氣動彈性主動控制結構、智能熱控結構等提出了更加苛刻的要求。無線電導航和探測方面，隱身、輕量化等要求采用與蒙皮一體化的共形天線。共形天線國防工業7.1高性能制造的需求內涵-53-復雜形狀內腔體構件已經成為新一代戰機、遠程轟炸機、新型戰術導彈等新一代武器裝備的重要零件。高溫高壓、梯度變化的極端的服役環境；復雜的內外腔體結構；高尺寸精度，高表面質量的加工要求。高精度、高靈敏度水聲探測需要大幅度提高壓電陶瓷傳感器機電轉化效率。復雜形狀內腔構件高精度水聲探測復雜形狀內腔構件7.1高性能制造的需求內涵-54-新能源等高技術領域中，光電轉換、運動減阻、防滑、油水分離、自清潔等，需要采用高性能表面以提高效率。性能要求逐漸提高對表面微細結構的高精度、高性能制造提出了巨大的挑戰。仿蛾眼高能吸附表面仿蝶翅高能吸附表面仿鯊魚皮減阻表面仿壁足大吸力表面仿荷葉、水黽超疏水表面仿生工業7.1高性能制造的需求內涵-55-核電等裝備的長期運行要求其超大型鍛件、高速運動部件等具有優異的抗磨損、耐腐蝕、耐疲勞特性，以滿足超長使役可靠性要求。核主泵主軸鍛件高壓密封件復雜支架結構功能性細觀周期結構鈦合金人工錐體工業裝備輕量化、人工生物組織制造、功能材料零件制造等在設計中存在大量的宏觀、細觀，甚至微觀的幾何特征，對制造技術提出了更高要求。核電及其他工業-56-7.1高性能制造的需求內涵以滿足性能為目標的一個自上而下的反求制造過程打通產品性能、零件設計特征集、制造工藝和工藝參數集聯系，建立其內在的相互依賴關系數學模型破解設計制造中公差分配逐級嚴苛等難題結構設計、材料選擇、公差分配、工藝選擇設計環

產品目標集合主要功能集功能1、功能2、…關鍵件零件1、零件2、…

制造環

關鍵件特征集特征集1、特征集2、…可行工藝集合工藝參數集合高性能制造的要求-57-通過裝備或零件的性能、材料和幾何特性參數的建模，相容性和敏度分析，確定出可供選擇的制造工藝以及工藝載荷的物質與能量輸入條件，建立面向性能的反問題求解模型。表面圖案表面功能層跨尺度特征比表面能零件功能化組織結構表面功力熱磁聲光電耐磨損抗腐蝕抗疲勞耐輻射抗干擾超疏水高靈敏………表面成分表面織構拓撲結構幾何形狀材料特性…宏細觀特性制造工藝參數工藝載荷材料加工載荷7.1高性能制造的需求內涵高性能制造的內涵7.1高性能制造的需求內涵-58-工藝載荷x—制造工藝參數及方式確定的能量與物質輸入材料加工載荷y—溫度場、應力場、化學位場等加工過程印記PS—宏觀幾何形狀、表面完整性等與材料加工載荷對應的量化關系基于知識的方法基于實驗迭代的試錯法不適定的反問題一般表達:

Ax=b

b

-零件性能;x-工藝載荷;A-系數矩陣，包含材料、幾何多源耦合作用基于材料響應物理機制建立加工模型:y=Mx正則化：引入材料約束M，使x可用y描述，依據決定性能的度量Lb和y的適定關系（PS），從所需的材料加工載荷反求得到性能要求的x

。LAM-1y≈

Lb;x=M-1y高性能制造的本質建模和反求設計與制造-59-7.1高性能制造的主要特征與挑戰高性能制造----高性能裝備制造和高性能零件制造高性能制造---高性能要求裝備和零件多以透波、傳熱、導流、動力學等性能為主要制造指標，零件往往具有曲面復雜、材料超硬、超脆、超粘等難加工和精度要求高等特征，性能受幾何、材料等多因素影響，其制造是傳統制造理念所難以滿足的。高性能制造的主要特征-60-7.1高性能制造的主要特征與挑戰高端裝備設計涉及機、電、液、信息等多學科交叉，以滿足裝備性能指標為第一要求高端裝備設計制造應是：面向制造的設計（DFM）+面向性能的設計（DFP）+面向性能的制造（MFP）高端裝備設計往往需要大規模變量（100000+）的多學科優化流程：拓撲優化、氣動優化、載荷分析、可靠性分析、結構優化高性能制造的挑戰7.2極端制造-61-7.2極端制造內涵與特征-62-極端制造的內涵極端制造(ExtremeManufacturing）也稱極限制造、超常制造，是指在極端條件或環境下，運用先進制造技術及高端裝備，制造極端尺度（極大或極小尺度）、極限精度、極高性能的結構、器件或系統，以及能產生極端物理環境或條件的科學實驗裝置。極端制造的基本科學問題是研究物質如何通過與能量的復雜、精準的交互作用演變為極端性能產品的科學規律。上述極端制造的過程及系統的理論、方法和技術稱為極端制造技術科學。精密物理實驗裝置爆轟實驗沖擊實驗7.2極端制造內涵與特征-63-領域代表性期刊：《極端制造》《極端制造》（InternationalJournalofExtremeManufacturing，IJEM）由中國工程物理研究院機械制造工藝研究所、大連理工大學、復旦大學、中國工程物理研究院激光聚變研究中心共同主辦，由大連理工大學郭東明院士擔任國內主編。2021年12月，《極端制造》期刊被ScienceCitationIndexExpanded（SCIE）數據庫收錄。IJEM的首個影響因子為10.036。2023年獲得第二個影響因子：14.7，榮登JCR工程/制造領域第一。《極端制造》期刊封面7.2極端制造內涵與特征-64-極端制造的特征極大尺寸的巨系統制造極高速裝備制造極小尺寸微納制造超精密制造極端環境（溫度、壓力）環境下的制造或服役極端制造的特征極高能量密度制造隨著制造業和科學技術的快速發展，極端制造的內涵具有明顯的時代特征，即是說，制造精度、運行速度、環境溫度/壓力等極限值與時俱變、與時俱進。只有充分認識到極端制造的這種與時俱變、與時俱進的時代特征，才能在國際科技及其產業競爭中立于不敗之地。7.2極端制造內涵與特征-65-極大尺寸的巨系統制造當前，最大火箭直徑達10米，其燃料貯箱封頭需輕量化無縫整體成形、最大的航空母艦超過10萬噸級、最大的盾構機直徑超過18米、最大貨船超過60萬噸級、下一代核島不銹鋼無縫整體長壽命環件直徑超過15米。長征五號B運載火箭盾構機航空母艦以上超大型裝備及構件的制造呼喚著極端制造技術。7.2極端制造內涵與特征-66-極高速裝備制造真空磁浮列車超高速機床空氣磁浮主軸天問1號火星探測器超高速機床空氣磁浮主軸的轉速高達每分鐘20萬轉、真空磁浮列車最高速預計可達1000公里時速、超高空超音速飛行器速度可達8-10馬赫、太空探測器航行最快速度15千米/秒，每小時54000公里。微射流光纖傳輸系統，約比現在的光纖傳輸速度快10倍、未來的量子計算機，其運行3秒的速度，相當于現在計算機運行上百億年。7.2極端制造內涵與特征-67-極小尺寸微納制造10年前，芯片線寬加工極限是7納米，臺積電公司最近將芯片特征線寬加工進入3納米以內，并正在趨近芯片線寬的物理極限。微型坦克大小為厘米尺度，膠囊機器人尺寸為毫米尺度，中國科學家已經成功制造出DNA納米機器人，今后還可能出現分子/原子機器人。膠囊機器人DNA納米機器人臺積電芯片7.2極端制造內涵與特征-68-10多年前，超精密加工的加工精度極限是納米級，現在已經發展到亞納米級、原子級。量子制造的概念及研究已在國內外出現。最高精度的超精密機床切削工件的表面粗糙度達到1nm。超大規模集成電路光刻機物鏡面形精度達2nmPV。光刻機物鏡光刻機內部結構超精密制造單點金剛石飛切7.2極端制造內涵與特征-69-極端環境（溫度、壓力）環境下的制造或服役J級燃氣輪機燃氣溫度高達1600℃，必須要研究耐更高溫的葉片材料和工藝；科學家發現，鋁合金在超低溫環境下成形時其延伸率明顯提高，超低溫加工成形可能是制造極大復雜構件的新方法。深海裝備水下10000米作業時，水壓力將達100MPa，裝備必須能具備抗高壓的結構和密封。蛟龍號潛水器燃氣輪機葉片J級燃氣輪機7.2極端制造內涵與特征-70-極高能量密度制造超強超短聚焦激光的功率密度將達1026W/cm2，其脈沖寬度將縮短為阿秒（10-18）級；水射流切割的水壓力可高達600MPa，射流速度大于4馬赫。超強超短聚焦激光實驗裝置水射流切割加工鑒于極端制造具有的時代特征，隨著制造業的國際競爭及高科技的迅速發