重点学科

机械设计及理论(山东省)

       机械设计及理论省级强化建设重点学科于1979年招收本科,1993年获硕士学位授予权,1996年成为原冶金工业部重点学科和山东省重点学科。现有机械设计制造及其自动化(下设机械制造、机械电子两个专业方向)、材料成型及控制工程、测控技术与仪器3个本科专业;机械设计及理论、机械制造及其自动化2个硕士点;拥有1个青岛市机械设计与制造技术重点实验室和1个青岛市能源与环境装备工程技术研究中心;设摩擦学、模具工程技术、机电一体化3个研究所;机械设计、机械制造、机械电子与测控、材料成型及控制工程4个教研室和机械基础、先进制造技术、材料成型及控制工程、机电测控4个实验室和1个机械工程实验中心与1个机械CAD/CAM中心。实验室总面积达3600平方米,实验设备总值达2000余万元,价值在50万元以上的设备10余台套。
       1、学术带头人
       (1)学术带头人杨沛然教授,山东大学博士生导师,为国际上在热弹性流体动力润滑研究方面的著名专家,享受政府(国务院)特殊津贴、连续两届山东省专业技术拔尖人才、全国优秀教师、山东省优秀教师、青岛市劳动模范、青岛市教育名家。
       杨沛然教授主要从事热弹性流体动力润滑、纳米摩擦学等方面的研究,其建立的零卷吸速度热弹流润滑理论和热弹流表面凹陷的温度——粘度楔理论,在国际上享有较高的声誉和影响,在国际热弹流润滑理论研究方面一直处于领先地位,作为该领域的著名专家曾被邀请到加拿大Alberta大学、日本九州工业大学和英国Bradford大学担任访问教授。近年来承担和完成国际合作项目、国家自然科学基金项目、省部级科研项目10余项,获省部级科技进步奖4项,出版专著2部,在 ASME Journal of Tribology 等国内外权威学术期刊发表论文70余篇,其中被SCI收录28篇,EI收录35篇。
      (2)学术带头人仪垂杰教授,是清华大学博士后,"洪堡"学者,上海理工大学、中国农业大学博士生导师及山东时风集团博士后工作站指导教师,兼任中国机械动力学会副理事长。曾获“淄博市专业技术拔尖人才”称号,“唐照千”优秀博士论文金质奖,国家教委科技进步二等奖,建设部华夏建设三等奖、山东省科委科技进步三等奖、清华大学博士后十年科研成果奖、德国洪堡基金奖。获得十几项国内外资助,完成省部级科研项目十余项,在国内外公开发表学术论文六十余篇,著述五部。
       2、学术梯队
       机械设计及理论学科拥有一支实力雄厚、团结协作、发展后劲足的教学科研队伍,共有教学科研人员43人。其学历结构为:博士17人,在职攻读博士3人,硕士18人,学士3人;职称结构为:教授15人,副教授10人,讲师10人,工程师3人,助教5人,中青年学术骨干占95%以上。近几年来,已与美国宾夕法尼亚州立大学、英国Bradford大学、清华大学等国内外著名大学或科学研究机构以及南车集团四方机车股份有限公司等5个青岛市大中型机械企业集团公司建立了广泛的 学术交流与产学研合作关系。 
       3、研究方向
       (1)微纳米摩擦学理论与实验。
       该方向是我院机械设计及理论(机械学)学科重要的、最具特色的研究方向。该方向近年来进行的具有自己鲜明特色并取得重要成果的研究工作包括:
       (a) 热弹流润滑的温度–粘度楔理论。该理论的建立引起了润滑学术界对热粘度楔效应的重视,将其认定为一种重要的润滑机制补充到已有的经典理论中。

        (b) 零卷吸速度条件下的热弹流润滑理论。该方向的研究成功解决了困扰国际润滑界五十多年的一个理论难题,为工程中两表面等速反向滑动的润滑问题的研究提供了理论依据,如内燃机凸轮–挺杆和新型无保持架轴承的润滑。

       (c) 亚微米/纳米液体薄膜润滑研究。提出的MBI测量技术实现了纳米级油膜厚度及其局部变形的准确测量;相关新润滑机理的研究为微机械的有效润滑提供了新的可能途径。

       (d) 耐磨损工程涂层的开发。如近年在国内外首次成功制备出反应火焰喷涂TiC–Fe复合涂层,针对直接工程应用的镍基合金–碳化铬(钨)硬面涂层的工艺改进。对涂层的微观结构、物相变化、形成过程热力学和摩擦学性能等进行了多方位研究。获得的涂层不仅具有突出的耐磨性,而且具有很好的耐腐蚀和抗高温氧化性能,有着很高的工程应用价值。
       该方向经过长期的积累和发展已经形成了稳定的学术梯队,拥有开展相关研究的先进仪器设备。在弹流润滑方面进行的温度–粘度楔的理论研究得到了国内外同行的广泛关注和认可,被誉为润滑研究史上的重要事件之一,在ASME Journal of Tribology和Tribology Letters等国际著名杂志上共发表了25篇相关SCI英文论文。该方向的研究近十年来获得了多项资助,包括国家教委资助高校优秀年轻教师基金1项、国家自然科学基金3项、国家留学回国人员研究基金1项和山东省自然科学基金3项,获山东省、北京市和教育部科技进步二等奖各1次,山东省自然科学三等奖、山东省高等院校优秀科研成果自然科学类一等奖各1次。学术带头人杨沛然教授撰写的专著《流体润滑数值分析》已成为许多大学的摩擦学硕士、博士生教材。培养的硕士研究生的论文两人次被评为山东省优秀硕士论文。杨沛然教授承担的国家自然科学基金项目“纳米固体颗粒对薄膜润滑连续性影响的研究”获国家自然科学基金委机械学科2001年度优秀进展和成果项目。该方向的学术成就也体现在近年的国际合作研究方面,作为共同研究方承担了英国EPSRC基金1项、日本国家自然科学基金1项、日本JSPS国际合作项目基金2项和香港研资局基金1项。
       (2)机械结构动态特性分析与测控。
       机械结构动态特性分析与测控研究方向已具有相对稳定的目标定向并形成了如下的特色:
       (a) 机械结构振动功率流理论研究及测控技术开发。①把简单梁板结构振动功率流理论推广到复杂梁板结构、板与板结构、加肋板结构和厚板结构,给出了分析复杂机械结构振动功率流的系统理论方法。有关的理论成果、实验数据、应用效果已在该领域中有影响的中外期刊上公布。②在形成功率流系统理论过程中,对振动功率流测量方法和技术进行了研究开发,率先提出了厚板结构的三维功率流测量方法,开发了国内首套用于结构振动功率流测量的三维振动强度测试分析系统-3D-VIMS。③对控制功率流的多冲击体阻尼的本构关系、作用机理、结构形式和应用技术等进行了系统研究,是国内外深入系统进行这方面研究的先行工作。
       (b) 机械动态特性分析和参数优化与控制。①把汽轮机二维刚性转子动平衡理论成功地推向了三维(国家“九五”攀登计划项目“转子动力学研究”)。引入弹性转子理论,对转子振动模式及其激振源特性等进行综合研究,调整、改善了转子的动态特性,汽轮机运行安全性和可靠性明显提高。②提出了空间机械结构体大位移状态下的先进建模方法和特性参数分析技术以及快速求解方法,有效提高了空间机械结构体大位移下构件的各特性参数求解速度和精度。③提出了系统概念设计的动态规划评价模型和机械粘弹性体传动动力学及相关系统的仿真理论。
       该方向凝聚了一支有朝气、有影响、稳定的、活跃在国内外学术界的研究队伍和学术新锐。这支队伍中有获得世界著名科学基金-德国“洪堡”基金资助的洪堡学者;有加拿大国家科学与工程研究会(NSERC)支持的青年博士;有与英国诺丁汉大学(U of Nottingham)的交流研究员;有博士生和硕士生,形成了结构合理的学术研究队伍。他们中间有受聘于诸如中国农业大学等著名大学的博士研究生指导教师,已经从2000年开始招生,并有博士研究生毕业。
       该方向的研究成果在IMechE,J of Process Mech Eng、J of CAM & ES、Inter J of Solid and Structure、J of Industrial Hem、机械工程学报、力学学报和清华大学学报等有影响的国内外期刊发表后,引起了同行专家学者的重视,得到了国内外该领域的学术肯定,并被相关文献多次引用。由此,“洪堡”基金会提供资助开展相关研究、加拿大Saskatchewan大学等提出科研合作。
       近年来,该研究方向承担了国家自然科学基金、国家“九五”攀登计划项目、教育部留学基金、山东省自然科学基金重点项目和青岛市科技发展计划项目等政府科研课题10多项;承担中国石化集团、中国兵器集团和中国重汽集团等国家大型行业科研课题和技术开发项目20余项;承担德国“洪堡”基金课题,加拿大NSECR项目和与诺丁汉等大学校际交流科研课题。该方向已荣获洪堡基金、原国家教委、清华大学、山东省、青岛市、山东省教育厅等颁发的多项科技奖励。
       (3)机械无损检测与故障诊断。
       机械无损检测与故障诊断研究方向基于机械学、电子学、力学、设备故障诊断学、神经网络理论、电磁检测理论以及信号分析与计算机定量处理技术等多学科交叉与融合,以工程应用为背景,在机械构件损伤与力学参数无损检测及安全性评价、设备故障诊断与运行状态监测及计算机自动控制等方面开展具有创新意义的研究工作。主要包括:(1)钢丝绳安全检测理论与技术研究,首次提出了双排差动检测器的设计思想和基于钢丝绳股波检测钢丝绳实际张力的理论与方法,建立钢丝绳损伤后剩余强度推断的理论模型和计算方法,由此得出了能够真正反映钢丝绳安全程度的动态安全系数,为在役钢丝绳的安全评价提供了理论依据和实用方法。(2)机械构件动态参数在线检测研究,利用磁电转换技术,通过波形转换和逻辑运算,将对机械构件的运动与力学参数检测转换为对时间量的计测,并基于虚拟仪器技术实现了机械构件动态参数在线检测的定量化和智能化。(3)线性钢材含碳量无损检测研究,基于神经网络理论和钢材含碳量与其磁特性之间的必然联系,获得了钢材含碳量的快速、实用、无损检测技术与方法。(4)综采设备故障诊断技术研究,首次将综采工作面视为由“人-机-环境”组成的、既含有确定因素、又含有未知因素和随机因素的复杂系统,建立了工作于该复杂系统中的综采设备的故障诊断体系。基于该方向研究成果所开发的检测系统,皆为以非接触方式、实时、在线、定量、无损检测,有很高的工程应用价值。
       该方向经过长期的积累和发展已经形成了稳定的学术梯队,拥有开展相关研究的先进仪器设备。梯队成员自2000年以来承担国家自然科学基金1项、省级自然科学基金2项、山东省青年骨干教师基金2项、省教育厅计划项目3项、青岛市科技局计划项目4项以及企业委托科研课题多项。在国际国内权威刊物发表科研论文110余篇,其中30篇发表在SCI、EI检索源期刊。出版著作5部。取得省级鉴定成果3项,省教育厅及青岛市鉴定成果4项。其中自换气式加压气浮净水系统研究成果达到国际先进水平、基于磁晶格的应变测试系统研究等成果达到国内领先水平;4项成果在生产中应用,取得了很大的经济效益和社会效益。获国家煤炭工业协会科技进步等奖2项(省部级)、省教育厅科技进步奖2项、青岛市科技进步奖3项。
       (4)生物机械动力学行为分析及其仿生设计。
       该方向近年来进行的具有自己鲜明特色并取得重要成果的研究工作包括:生物机械关节的力学分析、建模、生物运动仿真、断肢的仿生力学设计及制造仿真、红外线人脸面相识别、损伤人脸的模拟修复等。尤其在复杂三维形面的非接触,全场精密测量的理论及应用技术方面具有鲜明特色。首次提出了不等间距相移三维形面测量方法,有效解决了彩色编码中的颜色耦合问题。实现了利用彩色编码的快速投影,大大提高了测量速度。提出减模式相位去包裹算法,大大简化了处理过程,降低了测量误差。
       该方向经过近年的发展和积累已经形成了稳定的学术梯队,拥有开展相关研究的试验设备与计算设施。近年来,该研究方向先后在国内外学术期刊及学术会议上发表研究论文86篇,其中SCI和EI检索13篇。在生物机械关节研究领域,先后承担完成了国家自然科学基金项目1项,主持完成省部级自然科学基金和博士基金项目各1项,现主持山东省自然科学基金项目、山东省教育厅专项基金1项、企业委托研究项目1项。在生物形体虚拟制造技术研究及工程应用领域,主持完成了国家产学研工程重点项目及新加坡教育部和科技局的研究项目多项,并获得北京国际发明展览会银奖及新加坡工程师协会价值奖等。
       生命体的价值已被广泛认同。生物机械工程是生命科学与机械工程相交叉的学科,同时又是机器人制造工程、仿生工程、生物医学工程、康复工程、生命质量工程等新兴学科的重要组成部分。在生物机械关节研究领域, 对于临床上的关节置换,对于临床医生诊断与治疗各种关节炎、关节退行性疾病,对于发现新的生物材料(如: 人工关节液、人工韧带、人工骨等),对于理解生物关节的病理都有着重要的应用价值和指导意义。同时,研究生物关节力学, 对于揭开人类与动物的应力与生长关系的本质之谜具有重要的科学价值。而在生物形体虚拟制造技术领域取得的理论成果将使人体复杂面体测量分析与加工技术,从测量、建模到加工、测试一体化和系统化;并在某些关键技术上形成突破,为下一步制造生物机械产品奠定基础。
       4、科研成果及论文、获奖情况
       近五年来,承担科研项目56项,其中国家自然科学基金7项。先后获得省部级科技进步一等奖1项,二等奖1项,三等奖4项,省教育厅等科技奖励15项,省级优秀教学成果奖8项。发表学术论文459篇,其中SCI、EI、ISTP收录49篇,核心期刊300余篇,出版著述8部,教材16部。
       5、培养人才情况
       培养毕业硕士研究生45人,博士研究生3人;在学硕士研究生103人,博士研究生9人。其中先后有4名硕士研究生分别到美国、日本、英国等国外知名大学攻读博士学位,有10余名分别在香港城市大学、清华大学、同济大学、上海交通大学、西安交通大学等攻读博士学位,硕士研究生考博率达到36%以上。
       6、仪器设备情况
       经过几年的强化建设,目前已经拥有具有国际先进水平的美国Brown and Sharp产IMAGE 121510()三坐标测量机、日本Hitachi产S-3500N扫描电镜、MMW-1立式万能摩擦磨损试验机、MRH-3数显式高速环块摩擦试验机、MRS-10W微机控制电液伺服四球摩擦试验机、NGY-2型纳米膜厚测量仪、英国Taylor产 PG1800型表面形貌仪、比利时LMS产SC305 LMS动态测试分析系统、奥地利Liszt产AVL-FIRE计算机分析及动态模拟系统、动平衡试验机、TC-25型数控车床、MV-80立式加工中心、XKA7140数控铣床、美国Stratasys产FDM3000快速原型/快速模具设备等大型精密设备,拥有高档微机、图形工作站、工业控制计算机及相应控制板卡、可编程控制器、伺服电机及其控制系统、组态工控软件、机械设备故障检测诊断系统及控制软件,实验设备总值2120万元,为从事微纳米摩擦学理论与实验、机械结构动态特性分析与测控、机械CAD/CAM、机械无损检测与故障诊断、机电系统与数控技术、生物机械动力学行为分析及其仿生设计等方面的科学研究创造了良好的实验条件。