机械工程学科发展战略报告(2021-2035)

第1章 总论　　Chapter 1 Overview　　1.1 战略地位及发展趋势　　1.1.1 学科内涵　　习近平总书记在2018年两院院士大会上强调指出:“中国要强盛、要复兴， 就一定要大力发展科学技术， 努力成为世界主要科学中心和创新高地。我们比历史上任何时期都更接近中华民族伟大复兴的目标， 我们比历史上任何时期都更需要建设世界科技强国！”机械学科是当代制造工业体系建设与科技创新的重要基石， 它通过对自然科学领域的成果进行综合利用和转化， 形成发明创造各种机械装备、功能产品及仪器装置的理论方法和技术体系， 为人类生产和生活、认识和改造世界提供高性能物化产品。机械学科的研究水平直接影响国家科技战略的实施。　　根据国家自然科学基金委员会的资助体系， 机械学科主要包括12个申请代码(E0501～E0512)， 如图1.1所示。机器人与机构学(E0501)主要研究机器人等装备的机构与结构学、运动学、动力学、感知信息学、系统设计等理论及方法， 集成了机械学、力学、数学、材料科学、信息与计算科学、仿生学、人工智能等多学科的*新研究成果， 是各种现代装备创新的源泉。传动与驱动(E0502)主要研究原动机、传动机和执行机等元(部)件的设计、制造和测试， 以及由三者构成的系统的能量转换、传递、分配与运动控制的科学与技术， 决定了机器的效率、运动控制性能、可靠性与服役寿命等。机械动力学(E0503)主要研究机电系统动力学分析方法与动态性能匹配技术、振动噪声传递机理、机电系统服役性能监测、故障智能诊断与预示技术， 是装备性能提升与质量安全保障的核心基础。机械结构强度学(E0504)主要研究机械结构在机械载荷以及热、电、磁、声、化学等广义驱动力作用下产生的变形和性能变化的规律， 以及由此导致的结构破坏和功能失效的时空演变机制， 包括材料、结构和载荷三个要素， 是保障复杂服役环境下机械产品安全运行的理论基础。机械摩擦学与表面技术(E0505)主要研究相互运动表面之间的摩擦、磨损和润滑等相互作用规律及其实践的科学与技术， 揭示机械产品和装备在设计、制造和运行维护过程中发生在表面和界面处的物理化学现象， 是解决高端装备精度与可靠性的重要基础。机械设计学(E0506)主要研究机械系统的工作原理， 构型与造型， 物质、能量与信息的传递方式， 对机械系统及零部件进行构思、建模、分析和优化， 是决定机械性能*主要与*基本的因素。机械仿生学与生物制造(E0507)主要研究生物模本特殊结构、运行模式、功能原理， 设计制造高性能仿生机械产品或装备， 或直接利用、改性生物活性组织、生理属性、机能特性， 制造具有类生物/生命特征的产品或装备， 是机械工程学科交叉创新的重要途径。成形制造(E0508)主要研究金属材料、非金属材料和复合材料零部件成形制造原理与方法， 包括材料成形、工艺设计、参数优化、控形控性、过程调控及装备制造中涉及的共性科学问题与应用基础技术， 是实现复杂零部件高性能精确成形的理论基础。加工制造(E0509)主要研究通过工具-工件相互作用或使用光、电、声、热、化学等能量去除工件材料并获得高品质加工表面的精密制造原理与技术， 是高端装备、生物、医学、信息、新能源等领域核心零部件制造技术创新的重要理论基础。制造系统与智能化(E0510)主要研究由新一代信息技术驱动， 具有自感知、自决策、自执行等功能的先进制造装备、系统与模式， 为制造过程的高效性、稳定性和安全性提供保障。机械测试理论与技术(E0511)以计量标准理论、测试理论方法、传感技术及器件、测试仪器系统等内容对象为主体， 综合运用材料、控制、信息等多学科领域*新成果， 研究机械信息的高效获取方法与技术， 构建高性能仪器设备， 是定量机械科学研究和精准制造过程控制的基础。微纳机械系统(E0512)主要研究微米、纳米特征尺度的器件与系统的设计及制造， 涉及微纳器件与系统的设计、加工、测试、封装与装备等， 是微传感器、微执行器、微结构和功能微纳系统制造的重要科学基础。　　图1.1 机械设计与制造(E05)学科资助体系　　　1.1.2 学科战略地位　　在科学技术快速发展的今天， 世界各国都把提升自主创新能力摆在十分重要的位置， 并以此作为构建国家竞争力的关键要素不断加以强化。科学技术发展史证明， 基础研究是科技创新的源头， 是产业走向高端的重要基础。要在科学发展的主流方向取得有重大影响力的创新成果， 要在产业尤其是高技术产业的国际竞争中占据优势地位， 必须高度重视和大力发展基础研究， 真正形成以基础研究为支撑的产业技术创新体系。　　在大国竞争愈演愈烈的新形势下， 先进制造领域科技创新作为引领制造业高质量发展的驱动力， 其作用体现在以下四个方面:① 突破外部制约， 确保中国制造业基础支撑行业、战略和支柱型产业发展自主可控;② 升级价值链条， 支撑中国制造迈向价值链高端， 在附加值较高的研发、设计、创意、标准、系统集成等环节形成核心竞争力;③ 构筑非对称竞争优势， 促使中国制造在国际竞争制高点拥有更多的制胜产品， 形成中国制造品牌影响力;④ 推进高质量和谐发展， 创造适合中国国情的先进制造模式， 以绿色、高效支持制造业持续发展， 以智能、优质占据市场优势。在中国大国崛起的时代背景下， 机械学科的战略地位主要体现在以下几个方面。　　1)为推动中国制造向中国创造转变提供创新源动力　　机械制造业是一个国家综合国力的重要体现， 它不仅直接创造价值， 成为社会财富的主要创造者和国民经济收入的重要来源， 并且为国民经济、科学研究各个部门， 包括国防、交通、能源、信息等领域的发展提供先进的设备和手段。我国制造业规模世界**， 已建立起门类齐全、独立完整的制造体系。但我国仍处于工业化进程中， 制造业大而不强， 主要表现在:① 自主创新能力弱， 关键核心技术与高端装备对外依存度高;② 产品质量和附加值不高， 缺乏世界知名品牌;③ 资源能源利用效率低， 环境污染问题较为突出;④ 利用信息技术改造传统生产方式和工艺流程的水平较低， 所需的高端工业软件和传感器主要依赖进口[1]。总体而言， 我国仍处于“工业2.0”(电气化)的后期阶段， “工业3.0”(信息化)还待普及， “工业4.0”(智能化)正在尝试尽可能做一些示范。当前， 全球正处于由“工业经济”向“知识经济”转变的重要历史时期， 知识经济在很大程度上要通过高知识含量的科学技术和产品来实现。随着发达国家开展再工业化以争夺全产业链， 印度、越南等新兴市场国家推进工业化， 竞争一些低端制造业， 我国发展高端制造业， 提高产品附加值， 推动中国制造迈向价值链中高端， 形成中国制造品牌影响力， 促进中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变， 已成为建设制造强国的迫切需求。特别是， 我国要抢抓后疫情时期全球制造业供应链重构和变革的历史机遇， 推动、扶持、促进制造企业从追求规模向细分领域在供应链和价值链中的主导地位转变。以核心基础零部件或元器件、先进基础工艺、关键基础材料、产业技术基础， 乃至核心工业软件为重点， 努力实现关键环节和技术的自主可控， 提升制造业供应链条中的话语权和影响力;顺应信息技术和制造业融合发展趋势， 创新制造业运营模式， 推进核心企业向整体解决方案提供商转变， 增强供应链应变弹性。　　面对国外技术封锁和专利屏障， 仅仅依赖工程研究几乎不可能产生超越现状的重大工程技术的突破。因此， 先进制造领域科学技术研究必须明晰产业发展的科技创新需求， 加强基础研究、前沿交叉研究和基础性关键共性技术(竞争前技术)研发， 着力提升高端制造业发展的核心竞争力——创造新功能产品能力、发明新制造技术能力、突破“卡脖子”问题能力、保证产品“零缺陷”品质能力。通过发掘新的制造资源、揭示新的制造原理、发明新的制造技术、构架新的制造模式， 催生变革性技术， 服务国家创新驱动发展战略， 这是当前我国经济高质量发展的大变革中制造学科独有的作用和战略地位。　　2)为保障制造业进入价值链中高端提供装备和仪器技术支撑　　全球化产业分工是构建人类命运共同体、促进全球和谐发展的主流趋势， 但大国贸易摩擦和科技竞争将呈常态化， 在影响我国经济命脉、国家与国防安全的关键领域保证全产业链的自主可控， 是确立我国制造大国地位的重要体现， 也是在全球竞争中立于不败之地的底线。制造业进入价值链中高端迫切需要突破高端装备设计与制造难题。　　飞机制造长期以来一直被视为工业技术进步的重要标志， 辐射面宽、连带效应强， 在国防安全建设、国民经济发展和科学技术进步中发挥着重要作用。我国目前正在实施新一代战机、大型运输机、大型客机等一系列重大航空装备的研制和批量生产。新一代航空装备在机动性、负载能力、经济性和可靠性等方面的要求越来越高， 新型高性能复合材料的用量不断增加， 覆盖范围由非承力件扩大到次承力件， 作为主承力件的金属结构也呈现大型化、复杂化和高精化的趋势。如何实现新型飞机结构件的高精度、高效率、低成本制造与装配已成为航空制造技术发展面临的重大挑战， 推动着大型金属整体结构高精度制造、大型复合材料结构制造、基于3D打印的大型整体构件制造、大型轻质合金薄壁蒙皮/壁板制造、高性能数字化集成装配与测试等技术的快速发展。随着信息、网络、人工智能等技术的不断发展， 飞机制造技术呈现多元化快速发展的趋势， 智能制造在航空制造业萌发迅猛生长的势头。围绕高保真虚拟制造场景建模、大规模多源异构数据同步采集、制造设备与工件状态智能感知、制造工艺自主寻优等关键技术， 形成航空制造数字孪生技术体系， 通过“虚实映射、以虚控实”的制造新模式， 大幅压缩重大航空装备的制造周期与成本。　　航空发动机作为飞机的心脏， 它的好坏直接影响着飞机的经济性、可靠性、使用性能以及作战性能。在新一代航空发动机综合性能的提高中， 材料及工艺的贡献率为50%以上， 在发动机减重方面， 材料和制造技术的贡献率占70%以上。当前， 大涵道比涡扇发动机性能参数不断提升， 总压比普遍大于40， 涵道比已达10以上， 涡轮前进口温度已攀升至1900K以上， 部件效率均显著提升。因此， 必须使用先进的制造技术， 以满足新一代先进航空发动机的技术要求。航空发动机的制造工艺特点主要体现在材料难加工、切除率大、形状与结构复杂、制造精度与性能要求高。未来我国航空发动机制造技术的发展， 既要重视关键零部件制造与总装试车技术， 如风扇/压气机、燃烧室、涡轮部件制造等， 又要重视关键共性技术的研发， 如精密制坯技术、先进切削技术、新型焊接技术、特种加工技术等， 深入研究航空发动机先进制造工艺机理， 尽快攻克涡轮叶片精密铸造， 粉末涡轮盘高效制备， 整体叶盘高效、低成本制造以及修复， 大型宽弦风扇空心叶片制造， 树脂基复合材料、钛合金、高温合金机匣制造等核心制造技术， 支撑航空发动机全谱系发展， 引领制造技术跨越， 以更好地服务国家重大工程。　　航天技术是服务经济社会、探索浩瀚宇宙、保障国家安全的战略性高新技术， 航天制造是生产航天产品的重要基础。我国将实施在轨服务与维护、月球及深空探测、载人登月等一系列重大航天任务， 航天制造面临超大机械结构制造、电子信息系统制造等瓶颈问题与挑战， 同时也催生了在轨制造、原位制造等新兴前沿方向。未来， 我国航天制造发展呈现航天地面制造(for space)、太空在轨制造(in space)、地外天体原位制造(in site)三个层次:① 亟须增强航天地面制造基础。发展超大构件的极端制造基础理论与方法， 研究超大构件形性一体化整体成形方法、原位装配的自重-尺度-刚度效应与装夹校形原理、多机协作自寻位“小装备”制造“大结构”新方法等， 解决超大航天结构件制造超越现有工艺装备能力极限的问题;聚焦航天电子信息系统， 发展微纳制造、近原子尺度制造， 突破高可