经各方推荐，我会组织专家评审，本年度发布的我国机械工业科学技术重大进展有以下几方面：　　一、薄板冲压工艺与模具设计理论、计算方法和关键技术在汽车车身制造中的应用
　　薄板冲压技术在汽车、轻工、航空等领域应用广泛，特别是在车身覆盖件成形上，更是不可缺少。薄板冲压过程包含以大位移、大变形为特征的几何非线性，以塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性，其设计计算极其复杂。工程中常用的传统冲压工艺和模具设计是以简化理论模型和经验公式为基础，依据工程师的实践经验，设计出工艺和模具的初步方案，经反复试模修模，以达到零件设计要求。对较为复杂的新产品模具，这种方法不仅耗费大量时间和金钱，还常常难以达到质量要求。这是导致新车型开发周期长的重要原因。
　　近10年来，国内外逐渐完善的冲压过程仿真理论与技术（CAE）为冲压工艺与模具设计提供了现代化手段。通过将CAE系统与成熟的模具CAD/CAM系统集成形成的CAD/CAE/CAM一体化技术以及基于CAE的冲压成型新工艺，可大大提高冲压工艺和模具的设计水平以及模具的制造质量，缩短设计制造周期，提高冲压件品质。因此这项技术已成为汽车、航空等工业的关键技术。
　　经过系统开展对薄板冲压工艺与模具的设计理论、计算方法和关键技术的研究，以开发先进冲压CAE技术为突破口，强调CAD/CAE/CAM的系统集成，创建了一套从基础理论与方法到CAE冲压分析，到冲压工艺的实验研究，再到冲压工艺设计和模具设计制造的具有自主知识产权的系统技术与装备。
　　主要研究成果包括：
　　1．提出了薄板冲压工艺过程设计和分析的具有创新内容的系统理论和方法。包括显式加载隐式卸载的混合计算方法、基于级域概念的冲压成型一体化算法、基于弹塑性理论的摩擦模型、显示仿真算法中接触力计算的质量密度因子法、三维应力状态板壳理论与混合单元理论、板壳的交叉降阶积分法、基于试验与仿真材料的参数反求理论、超大规模计算中的计算任务动态分配方法和多CPU间的定时通讯理论。出版重要专著三本，在国内外核心学术期刊发表论文60多篇。对促进我国相关学科的发展起到了积极作用。
　　2．研究开发了五大具有自主知识产权和创新内容的冲压工艺软件系统。冲压仿真CAE自动建模系统CADEM-I在国内外最先利用模具表面NC数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，不仅可避免发生几何信息丢失与失真，而且建模效率可提高数倍至数十倍。实现结构化四边形网格自动优化，对常用汽车冲压件成型，在同样精度下可将仿真模型网格单元减少近20%～40%，有效减少了计算工作量。冲压仿真CAE系统CADEM-II采用交叉降阶积分法，消除了国内外仿真算法常用的人为沙漏控制参数，从理论和算法上保证了冲压件大变形计算的可靠性，排除了工程中常遇到的沙漏现象。在模具与工件接触界面的处理方面，采用独特的基于虚拟接触块的一体化全自动接触搜寻法，局部质量密度因子法和非线性摩擦定律，使冲压计算中的接触边界条件计算不仅有理论上的重大创新，而且在保证精度的前提下提高了速度。如对于国际标准算例S型大梁冲压模拟，该系统所需的总时间为国际著名软件LS-DYNA3D的79%，而接触处理时间仅为27%。冲压并行仿真系统CADEM-P采用基于最小边界的优化方法进行仿真模型的初始化分区，不仅使不同CPU上的计算工作量达到平衡，且实现了CPU间通讯量的最小化。在接触界面处理方面，通过将相邻的分区子域分配到相邻的CPU上，大大减少在接触搜寻中不同CPU间的通讯。基于CAE的冲压工艺分析与设计系统CADEM-III在国内外最先采用壳体失稳理论预测冲压中的起皱趋势，从而消除有限元网格尺寸对起皱预测准确性的影响，显著提高起皱预测的可靠性。采用基于仿真的毛坯反算技术，实现复杂零件的毛坯形状和尺寸迭代反求。材料参数反求软件系统MPAR在国内外最先实现冲压成型参数反求与标准测试实时联机，通过使用全程记录的测试数据和使用活度计算原则，计算出材料本构特性参数和摩擦特性参数。
　　3．开发研制了冲压工艺综合试验技术与装备。研究结果表明，仿真技术虽能解决许多传统方法难以解决的复杂工程问题，但仿真不能取代全部的试验研究，仿真技术只有与试验技术有机结合才能产生最好效果。试验配合仿真要解决的基本问题至少包括如下四个方面：①与仿真方法匹配的材料本构特性参数的获取；②冲压件与模具间摩擦特性参数的获取；③不同形状和尺寸的拉延筋的特性参数获取；④仿真考题的试验验证。根据以上需要，开发研制了一套冲压工艺综合试验技术与装备，利用同一系统完成上述四种不同的功能。
　　4．发明了拉延模具的斜拉延筋工艺技术并研制了相应的模具。为解决冲压工艺方案中常出现的起皱或拉裂等成型缺陷，除在压边圈的压料面上设置有传统的直线或环线拉延筋外，还在压边圈的压料面上创新性地设置有斜拉延筋。斜拉延筋与传统拉延筋区别在于传统拉延筋主要提供板材在冲压中的具有被动性质的流动阻力，而斜拉延筋除提供流动阻力外，还可提供具有主动性质的引导材料流动的作用力。这就使得斜拉延筋对材料流动具有很好的控制作用，在拉延件冲压特别是深拉延件冲压中能有效克服拉延件的起皱或拉裂缺陷，防止角部起皱和拉裂效果极佳，从而提高成品率，并提高成品质量。
　　5．冲压模具CAD/CAE/CAM一体化技术应用示范。该项目成果已在湖南大学汽车技术研究与开发中心、上汽五菱汽车股份有限公司、湖南同心实业股份有限公司、湖大海捷（湖南）模具工程有限公司等企业建立起应用示范点。解决的关键技术问题主要包括根据应用示范点的已有基础，开发和建立不同CAD、CAE和CAM系统间数据通讯的模式和接口；开发了冲压过程CAE参数自动选择和优化功能，以降低对CAE系统使用人员的专业理论知识的要求，更好地满足生产实际的需要；根据企业的特点，提供CAD/CAE/CAM一体化技术培训，并在一些单位实行“技术带土移栽”即连人带技术转移到企业技术中心；开发和建立专用数据库系统和专家系统，以支持专门种类模具的CAD/CAE/CAM一体化技术的应用；选择企业最迫切需要解决的最有代表性的问题进行CAD/CAE/CAM一体化技术应用的系统性演示，从而促使该技术较快投入实际工程应用。
　　该项目理论成果已被SCI他人引用200多次，技术成果已应用到10多家汽车和模具企业，不仅为解决传统工艺方法难以解决的问题提供了有力工具，而且可缩短工艺和模具的设计制造周期，并提高产品质量。仅3家典型企业的应用就涉及新增产值1.6亿多元，利税2000多万元。尤其解决了多年困扰湖南同心实业股份有限公司的多种关键技术问题，使曾占该公司40%左右的产品合格率由50%提高到98%，近三年累计新增产值1.3亿多元，利税近1900多万元。

　　二、塑料注射成形过程仿真系统的开发和应用
　　塑料工业近20年来发展十分迅速，早在7年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛应用。塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注射成形，世界塑料成形模具产量中约半数以上是注射模具。随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场要求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国不得不每年花费数亿美元从国外进口模具。为了改变我国在该领域的落后面貌，国家从20世纪90年代开始组织了一系列有关塑料注射成形关键技术的研究，塑料注射成形过程仿真是其中的重要内容。塑料注射成形过程仿真既具有理论意义又有很好的实用价值，仿真结果能直接指导注射成形工艺参数的选定、优化模具浇注系统、大大缩短试模和修模时间、显著提高塑料制品的质量、降低成本、减少模具进口、推动模具行业的科技进步。
　　塑料注射成形过程仿真属于机械、力学、材料和计算机相交叉的新兴学科，由于塑料熔体的非牛顿性以及注射流动过程的非稳态、非等温性，采用计算机模拟熔体成形过程具有很大难度。虽然世界各国研究的单位很多，但最终形成有影响的商品化系统的只有两家：澳大利亚Moldflow公司和美国AC-Tech公司。“九五”期间在国家自然科学基金和其他课题基金的资助下，该项目不断改进、应用和推广，经历了从二维分析到三维分析，从局部试点到大面积推广应用的历程。经过10余年的努力，开发出独具特色、具有当前国际先进水平的三维注塑成形仿真系统。
　　1．解决了用三维实体模型取代中心层模型的关键性技术难题。传统的注塑成形仿真软件基于制品的中心层模型，而模具设计多采用三维实体模型，由于两者模型的不一致，二次建模不可避免。但是从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作，提取过程繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有畏难情绪，这已成为注射仿真软件推广应用的瓶颈。该系统能直接在三维实体模型上划分网格，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现了基于三维实体模型的分析，并显示三维分析结果，突破了仿真系统推广应用的瓶颈。
　　2．有限元/有限差分/控制体积方法的综合运用。注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。该系统在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立了与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使计算速度满足工程需要，并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品，划分为两部分体积并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证两部分的协调。
　　3．数值计算与人工智能技术的结合。输入参数的合理性是数值分析获得正确结果的前提，该系统通过人工智能技术获得了注射时间的优化和分级注射的优化，保证了输入参数的合理性，并采用专家系统技术自动生成分析结果报告，缩短了用户需求与分析结果之间存在的距离，将仿真软件由传统的“被动式”计算工具提升为“主动式”的优化系统，对前后置处理的全面支持具有独创性。
　　4．实现了制品与流道系统的三维流动保压集成分析。流道系统一般采用圆柱体单元，而制品采用的是三角形单元，该系统采用半解析法解决了混合单元的集成求解问题，不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小型精密制品，大大拓宽了系统的使用范围。
　　5．完成了塑料制品熔合纹预测的高效算法。熔合纹对制品的强度、外观等有重要影响，准确预测熔合纹位置是仿真软件的难题，该系统通过节点特征模型方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率，其准确度高于国际上同类产品的先进水平。并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度做出定性评价，为用户对成形质量的评估提供了直接的判据。
　　该系统的开发与应用，为注塑制品与模具的虚拟制造奠定了坚实的理论和技术基础，构成了注塑制品成形质量全面控制的核心技术。
　　目前，该系统已形成商品化软件产品，并在50多家用户中推广应用，产生了可观的经济效益。并在上海交通大学、郑州大学、华东理工大学、厦门大学、汕头大学等10多所院校成功应用，培养了大批掌握模具CAD/CAE的专门人才。围绕着该项目的研究开发，在国内外共发表学术论文150余篇，其中英文论文10余篇，15篇为三大索引所收录，出版教材和专著8本。

　　三、纳米薄膜润滑理论及实验研究
　　纳米科学技术是当今国际上最前沿的研究领域之一，其发展将对科学技术与国民经济的发展产生深远影响。作为其派生出的新学科，纳米摩擦学将为现代超精密机械与微型机械提供技术基础，也将对宏观摩擦学理论的深化有很大的促进作用。纳米摩擦学的出现标志着摩擦学发展进入了一个新阶段，对其进行的研究既具有重要的理论意义，又有广泛的应用前景。
　　以纳米级膜厚为基本特征的薄膜润滑是介于弹流润滑与边界润滑之间的一种全新的润滑状态，有着独特的流动特性，是纳米摩擦学研究的重要内容。通常认为，弹流润滑以粘性流体膜为特征，因而服从普通连续介质力学规律；边界润滑以吸附膜为特征，常以表面物理化学特性为研究基础，纳米薄膜润滑或曰纳米流体润滑则兼有流体膜和吸附膜的特点，润滑和流动的机理非常复杂。另外，在纳米级流体中，有序分子的取向弹性和其粘度之比常为接近于同一量级，因而对其性能有着显著影响。可见，纳米级流动规律和润滑研究非常复杂和先进。
　该项目旨在开展润滑膜厚度处于纳米级时测量技术、润滑性能和润滑机理的系统性研究，为解决微型机械和高精密仪器的润滑问题奠定基础。同时，探索润滑理论体系的历史悬案之一，即流体润滑（含弹流润滑）与边界润滑之间过渡区的润滑状态。
　　自Reynolds提出流体润滑理论（1886年）后，相继出现了边界润滑（1921年）、弹流润滑（1949年）。它们对于完善润滑理论体系具有重要作用。但是，无论从膜厚规律还是从摩擦特性，在弹流润滑和边界润滑之间存在着一个尚未被人们了解的过渡区。随着润滑膜厚度的减薄，润滑状态可以经历以下过程：

流体润滑→弹流润滑→？→边界润滑→干摩擦

　　目前，对弹流润滑已有较为深入的研究，对边界润滑也有较为广泛的研究。但是，弹流润滑如何转化为边界润滑，过渡状态的物理本质、润滑性能和润滑机理等，均是润滑理论上的重大遗留问题，也是这项研究的重点。
　　在纳米级薄膜润滑研究中，发展一种快速、准确、抗干扰能力强的动态膜厚测量方法是研究的关键问题。课题组克服了机械加工精度和安装带来的误差导致运动不平稳外，还克服了外界的干扰（如振动、光源、外界光变化）给测试结果带来的影响，从而稳定地实现了薄膜润滑状态的测量。所研制的NGY-3型测量仪，润滑膜测量范围可达0～500nm；垂直、水平方向分辨率分别可达0.5nm和1μm，速度控制范围为0.2～1900mm/s。该仪器已为国内外多家科研机构进行了测试或作为商品销售。
　　采用该仪器开展了薄膜润滑的理论研究，并取得以下创新性成果：①首次提出以纳米膜为特征的薄膜润滑是填补弹流润滑与边界润滑之间空白的新型润滑状态；②首次提出薄膜润滑的物理模型，并建立弹流润滑与薄膜润滑间的转化关系以及膜厚与工况因子的关系；③发现纳米级润滑膜时间效应，并提出其产生原因；④研究电场对纳米润滑特性的影响；⑤建立纳米级润滑膜的失效条件；⑥提出新的润滑状态划分方法。
　　在理论计算方面，针对薄膜润滑进行了有益探索：①引入粘弹比描述有序分子的取向弹性作用，用“向矢”描述有序分子的取向，给出向矢分布、等效粘度分布和速度分布；②提出新的粘度修正式，可将弹流润滑计算方法推广到薄膜润滑；③通过理论分析提出，薄膜润滑中润滑剂分子的方向性、自旋特性或微元体所受到的附加力偶作用是导致薄膜润滑中等效粘度增大的重要因素，从而阐明了膜厚和润滑压力偏离经典理论的现象。
　　在纳米级薄膜润滑理论和实验研究的过程中，项目组成员先后在国内外各种刊物上发表科研论文100余篇，SCI收录论文70余篇。所发表的论文被SCI引用90余篇次。该项工作获得了国内外著名专家（包括美国纳米摩擦学专家Granick、Israelachvili、Ryason，捷克专家Hartl、Krupka、Poliscuk，英国专家Spikes等）的高度评价：“在摩擦学的学科前沿问题上做出了创造性贡献”，“具有重要的理论意义和很大的科学价值”，“将润滑膜区分三种特性膜，即流体膜、有序液体膜和边界吸附膜，是对润滑研究的一个重要贡献”，“薄膜润滑架起了流体动力润滑和边界润滑之间的桥梁”。本项研究在薄膜润滑机理、模型和润滑状态的划分等方面处于国际领先地位。

　　四、现代制造质量控制、溯源中的若干理论问题与技术基础的研究
　　由于制造技术的发展，在线测量越来越多，量值的溯源也需现场进行，而我国现行标准量值逐级传递制度以实验室和更高精度的标准量值为基础，对于现在大量出现在集成制造系统中的计量器具（如飞行器型架）、在线大型计量仪器（如车身三维尺寸测量系统）无法置于实验室环境下校准；而有些在生产现场上使用的高分辨率传感器（如电容传感器）虽然可以到实验室校准，但是应用频繁，需要随时校准；有的机器运动速度特别快，现有大多数校准仪器不能适应。因此，需研究有科学依据的现场校准方法和仪器。另外，动态测量的增多也要相应研究动态测量精度理论。如何利用测量结果控制产品质量，减少废品也是值得重视的问题。这些研究在下列方面取得进展：
　　1．计量标准的传递和直接溯源
　　(1)高精度直接溯源传感器
　　利用国内元器件研制成功可调谐外腔半导体激光器，提出了一种采用其波长调谐特性实现的可调合成波长链绝对距离干涉测量方法，建立了测量激光干涉仪（及纳米位移传感器）非线性的标准装置，分辨率优于0.1nm。
　　(2)实现现场测试仪器、测试系统的校准技术
　　提出了采用组合式经纬仪空间坐标测量装置，结合精密靶标、标定软件实现大量程三维坐标测量仪器（系统）的现场校准技术。提出了新的测量模型（摄影透视模型），避免人工精确调整及互瞄环节，有效提高测量精度。
　　发明了基于楔型滑块平移机构的电容测微仪校准装置，提出了有效测量面积型测微仪（电容传感器）互易回归校准方法，解决了电容测微仪非线性校准问题，具有很高的校准精度。
　　发明了远程相互位置（同轴度、直线度、直角度）现场校准装置，对大气扰动不敏感，在0～30m距离上可达1ppm的不确定度。经过改进的“横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置”，稳定性得到进一步提高。
　　发明了高速工作台现场校准装置。在横向塞曼激光稳频实验过程中发现了双反射频率分裂现象，经过理论分析、膜系设计，最后研制成功高测速激光干涉仪。频差达到5MHz，已经达到测量速度0.98m/s，允许数据采集速度11MHz。
　　2．动态测量精度理论的研究
　　通过对动态测量误差的定义、组成成分的分析、误差成分的分离及误差评定方法的研究，提出应以均方误差描述动态测量误差，并对其精度进行评价。推导了动态测量误差的均方误差与测量信号和仪器特性的关系，明确了动态测量误差的各种成分，动态测量误差与静态误差的区别与联系；根据动态均方误差的定义，分析了用随机过程方法分析动态误差的根据及与各种成分对应的误差来源。对系统“白化”方法分析动态测量误差进行探讨，指出这是动态测量的重要发展方向以及其艰巨性，研究了用标准量值插入法实时分离误差，对具体时变系统误差与随机误差的非稳定状态测量过程，采用神经网络建模法对分离出来的误差进行实时建模，跟踪误差变化，对其进行预报修正。
　　3．零废品控制理论和技术
　　研究了零废品工程的定义和实现条件，指出是渐进过程，要进行100%在线检测和质量预报；针对在线质量控制提出利用遗传神经网络进行在线测量数据挖掘新方法，可以解决质量预报的实时性与准确性问题。
　　提出了全面在时空域描述误差动态时变性的棚状数学模型。研究了加工件误判率模型，提出了多工位加工精度等效损失概念，建立了模型，并进行在线质量诊断的研究和实验。
　　这些研究成果，已先后应用于生产中，成功解决了测量系统的现场校准难题，也为基准的传递和溯源提供了新方法。对提高我国的测试计量技术水平，特别是对计量标准的传递与直接溯源的发展起到很大推进作用。