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科研方向
一、设计科学与工程
设计是提升产品功能与性能的基础，是提升重大装备性能的“硬科技”。数控机床作为装备制造业的“工作母机”，是制造业的战略必争领域。长期以来，我国数控机床的设计模式主要依赖于经验迁移和逆向仿制，缺乏知识集成，开发周期长、性能差距大。实验室在“863”计划、“04专项”、“973”计划、国家自然科学基金等项目的支持下，提出了知识集成驱动的高速精密机床正向设计技术，突破了高速精密机床正向设计的国际技术壁垒，显著提高了产品性能，取得了创新性成果。 1）提出了设计科学中存在与知识相关的四个基本定律，从知识流动的视角分析设计中的知识和知识资源，提出设计本质上是知识的流动、集成、竞争和进化过程。设计竞争使得设计知识资源从垂直结构向水平结构转变，形成一个分布式资源环境。研究了在功能知识集基础上实现行为知识集成和结构知识集成的算法。
图1 设计科学的内涵及四大基本定律 2）提出了机床基础大件生成式拓扑优化设计新方法，打破了主流拓扑优化方法将设计变量依附于人工材料密度或隐式边界的模式，开发了数控机床整体式拓扑优化软件工具集，所生成的机床主承力框架布筋方案优于德国弗朗霍夫生产技术研究院（IPT）所制定的5类20种行业标准方案。
图2 生成式拓扑优化设计新方法及机床基础结构件拓扑优化 3）提出了主轴系统热-变形-结构强耦合设计分析方法，实现了不同装配及服役工况下主轴从瞬态到稳态的全面快速建模与精准计算分析，对比国内外现有的有限元分析技术，轴系瞬态热分析计算效率提升100倍。
图3 主轴系统热-变形-结构强耦合设计分析工具 4）构建了包含精密机床实际装配过程测量与调整工艺的装配误差传递描述模型，提出了相应的精密机床几何精度设计理论与方法，实现了精密机床公差合理分配，突破了PTC、西门子、达索等公司公差分析软件基于统计分析的技术局限。
图4 考虑装调工艺的精密机床及主轴系统几何精度设计与预测 实验室建立了以知识服务为核心的奥依知识服务网络平台，是基于现代设计与开放式创新理念构建的全球首创的“互联网＋技术服务”平台，拥有25个专业资源部、6万多名注册技术专家资源，支持了上千家企业的新产品设计与研发。 项目成果已推广应用于秦川机床、昆明机床等十几家代表性机床企业，轴研科技、汉江工具等制造企业，西飞、沈飞、成飞等飞机设计制造公司，以及美国拉削机床刀具公司，获得了国家技术发明二等奖1项、陕西省科学技术一等奖1项以及陕西高等学校科学技术一等奖2项。 二、工程摩擦学 机械表面与界面是机器零部件间甚至整机实现力、扭矩传递的重要载体。机械表面与界面的功能化是机器长寿命、高可靠运行的关键保障。在“973计划”、国家自然科学基金等项目的支持下，在功能化表面的润滑设计与增效的理论与方法层面开展了系统的研究工作，创成了长寿命、高可靠的功能化及润滑增效表面，取得了创新性成果。 1）建立了表面织构的多尺度模型，开展了相关的算法和优化研究，揭示了织构对称性对表面摩擦学性能的影响，为表面织构化设计提供了新途径。
图5 径向轴承的轴颈表面织构化及动压油膜的形成 2）提出了混合润滑工况下工程表面织构化区域与非织构的滑移区域相互作用的新思路，构建了无量纲滑移强度系数模型，提出了表面滑移驱动的减摩增寿、减振增载的设计准则，实现了滑移特性的无量纲表征，解决了混合润滑工况下工程表面织构的机械增效问题。
图6 滑移边界的减摩和增载 3）提出了乏油工况下工程表面转移膜润滑的增效机制，通过基体与表面复合调控技术提高了基体材料和织构表面的设计柔性，强化了多润滑状态下织构的引导增效作用。
图7 轴承表面转移膜形成过程及表面形貌 4）提出了乏油工况下工程表面涂层复合增效及表面改性方法，揭示了低能电子照射下纳米超光滑表面的形成机制，实现了复合增效表面的固/固、固/液超滑及其在多润滑状态下的工程应用。
图8 轴承表面结构调控及高温超滑 基于上述研究成果，发表代表性SCI论文39篇，SCI他引共计274次。本项目成果首次应用于***战略导弹发射车等重型卡车，产生了巨大经济效益，取得了良好的社会效果。团队成员张辉的博士论文“混合润滑状态下表面织构的建模和设计研究”获得2017年度第七届上银优秀机械博士论文奖（佳作奖），研究团队获得国家技术发明二等奖、陕西高等学校科学技术一等奖各1项。
三、轴承-转子动力学 轴承是重大装备的核心零部件，是“工业的关节”，其发展水平代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。我国高性能轴承极度依赖进口，成为制约我国高端装备自主化的“卡脖子”零部件之一，严重影响我国国民经济和国防安全。实验室在“973计划”、重大专项、国家重点研发计划、国防预研等项目支持下，提出了轴承性能设计分析方法，突破了轴承实验测试等系列技术难题，取得了系列创新性成果。 1）在国内率先提出了滚动轴承6自由度完全动力学模型，解决了传统模型对轴承部件考虑不全、分析因素受限的问题；系统研究了滚动轴承精度及服役性能创成及演变机理，发现了影响轴承非重复性跳动指标NRRO的主要因素，完善了轴承精度设计理论。
图9 轴承非重复性跳动指标NRRO模型及影响因素分析 2）发展了极端工况条件下高可靠、长寿命高速滑动轴承设计理论与优化方法；提出了复杂边界条件下非周期快速振荡系数椭圆偏微分方程的多尺度计算方法，较传统方法计算规模扩大三个量级,计算速度提高两个量级；开发了面向工程应用的轴承和转子系统的数字化正向软件设计平台，解决了一系列重大装备极端工况（动载、低粘、高速等）支承设计的瓶颈问题。
图10 多尺度快速计算方法及轴承转子系统设计平台 3）研发了独创性的亚微米润滑膜厚在线测量技术、滚动轴承旋转部件测温技术、轴承动态预紧力在线测量等测试技术，解决了轴承研究领域关键参数的测量难题；构建了国内首台套航发轴承实验平台、半尺寸核主泵实验平台，弥补了我国航空轴承、核电轴承等高端轴承实验测试技术的短板，有力支撑了国产高端轴承的研发。
图11 滚动轴承试验测试技术及装置。（a）膜厚测量技术；（b）量子点测温技术；（c）动态预紧力测试技术；（d）“大发”、“小发”轴承试验台 4）面向新一代和重型运载火箭研发需求，原创性地提出了磁液复合支撑轴承；研发了新型润滑结构，将国产高速轴承dmn实验值提升到了425万，达到了国际先进水平。
图12 新型轴承技术。（a）火箭用磁液复合支撑轴承；（b）超高速滚动轴承 在我国首个滚动轴承基础研究973计划项目支持下，相关成果已经应用于轴研科技、崇德科技、沈鼓集团、洛阳轴承集团、东汽集团、秦川机床工具集团等代表性企业，解决面向核泵、超临界二氧化碳发电机、航空发动机等高端轴承的设计与试验问题，在相关领域与世界第一、第二大轴承集团SKF及NSK建立了深度合作关系，有效扩大了该成果的国际影响力。研究团队获得中国机械工业科学技术一等奖、二等奖各1项。 四、设计大数据与状态诊断 大型设备安全性、可靠性维护技术是我国的中长期规划（2006-2020年）的重点研究方向。轴承-转子作为大型设备的核心功能部件，对其状态监测与诊断具有重要的科学意义与工程价值。实验室在两化融合联合基金重点项目、863计划、重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持下，开展了大数据下轴承-转子系统的状态监测技术与故障诊断技术研究，形成了状态监测与诊断的新理论与新技术。 1）揭示了复杂工况下轴承-转子系统故障信息的深度识别原理，提出了基于深度学习理论的特征工程及故障识别框架，为大数据下轴承-转子系统的状态监测与诊断研究提供了新思路。
图13 基于深度学习理论的轴承转子故障识别
2）建立了智能健康指标构建方法，解析了多种随机性因素影响的轴承性能衰退机理，建立了大数据驱动的数模联动寿命预测方法，相比于传统方法，将轴承寿命预测准确率提高了16%-33%。
图14 大数据中多随机因素影响下的装备退化预测及数模联动的寿命预测
3）在调制函数等机理研究的基础上，研发了高精度双圈同轴式光纤传感器，实现了对狭小空间、强磁场、高温等情况下轴承转子振动、温度、油膜参数的集成测量，解决了轴承-转子系统故障诊断中的集成监测难题。
图15 用于轴承性能监测的高精度双圈同轴式光纤传感器 4）提出了面向摩擦学性能表征的机器健康监测方法，建立了面向油液全信息表征的油液在线监测系统，解决了重大装备全寿命周期的磨损状态监测与预测的技术瓶颈。
图16 面向油液全信息表征的油液在线监测系统。（a）系统构成及工作原理；（b）亚丁湾护航舰船应用 研究成果在瓦房店轴承股份有限责任公司、三一集团、葛洲坝集团、沈阳透平机械股份有限公司、东方汽轮机有限公司、陕西鼓风机(集团)有限公司等大型企业中得到广泛应用。实验室研制的舰艇动力系统油液在线监测与分析装置，成功应用于亚丁湾护航2批次4条舰船的状态监测。基于上述研究，实验室获得国家技术发明二等奖1项，教育部自然科学一等奖1项、陕西高等学校科学技术奖2项，军队科技进步二等奖1项。
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