复杂机电耦合

复杂机电系统基础研究发展的思考研究小组钟掘熊诗波王益群虞烈赵淳生杨华勇秦大同孟光翟婉明王艾伦二00四年十一月二十日复杂机电系统•生产过程的载体•科学工程的工具重要的社会性机械制造的产品机械制造的工具机械工程发展的目标工业社会、知识社会赖以生存、发展的核心生产力装备制造业是国家战略目标的重心之一复杂机电系统基础研究的思考多种技术集成的多功能机电装备系统载有多物理过程，形成基本功能各子系统微观层次的非线性相互作用，导致宏观行为演变——功能精度、稳定性、确定性50余个物理过程、融合百万余参数一、复杂机电系统的一般性认识1、复杂机电系统——现代机械装备复杂机电系统基础研究的思考800—1000个子系统、300多万个零件2、复杂机电系统行为规律的重要特征一、复杂机电系统的一般性认识复杂机电系统基础研究的思考一个复杂机电系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定，需要建立系统研究方法；一个复杂机电系统的整体行为在大时间尺度上是不能预先唯一性确定，不宜使用一般意义的寻优方法。CM04平整机功率拓扑键图一、复杂机电系统的一般性认识复杂机电系统基础研究的思考例：轧制板材厚度由压力、张力、速度、润滑综合确定厚差、板型的变化——时变系统发散、自激、复合强迫振动现象——非线性复杂耦合复杂机电系统是一个非线性耦合系统二、复杂机电系统发展的总体走向——前沿集成、极端化1、功能多样、连续高效[主体工艺行为+行为精度控制]ㆍn系统功能2、作业极端制造极端3、高丰度前沿技术集成机载电、光、机、液、声多类技术系统4、信息流与物质流并行，拟人智能化……………………………….复杂机电系统的极端化，其非解耦性和不确定性特征强化复杂机电系统基础研究的思考硅片→器件液态→零件负载、尺度、速度、精度、材料基础研究的核心——多物理过程交互中的机械学宏、微确定性规律与非确定性机制例1、系统动力学的“灰色”现象与命题三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础复杂机电系统基础研究的思考电机驱动系统中的非线性驱动力1）非线性驱动力在系统响应中的多级非线性效应，工作精度的扰动PZT微驱动中的非线性驱动力非线性驱动力在系统中的传递——对系统行为的扰动2）多动力源能量分流、融合中的竞争机制与工况畸变M0i=1M1复杂机电系统基础研究的思考集中驱动的能量变态传递与工况宏观劣变多驱动源融合分流的小扰动与精密制造受损1、系统动力学的“灰色”现象与命题三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础复杂机电系统基础研究的思考1、系统动力学的“灰色”现象与命题三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础3)高能效的多动力源能域互补、能量需求时变性与传动系统动力及运动传递的不确定性电池电动机发电机变速器发动机清洁节能汽车的混合动力传动系统复杂传动系统4）复杂系统的非线性动力学效应与宏观功能精度复杂机电系统基础研究的思考例1、系统动力学的“灰色”现象与命题三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础轧辊多维动态响应轧件表面不规则印痕例1、系统动力学的“灰色”现象与命题三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础5）轮轨波磨的复杂[动力学-摩擦学]耦合与高速有轨运载安全波磨现象与高速安全窗口现象与启示高速有轨运载持续发展的挑战——基于轮轨大系统复杂非线性动力学的系统动态设计理论复杂机电系统基础研究的思考例2、摩擦状态的时变性与运行过程的不确定性新辊振动旧辊振动复杂机电系统基础研究的思考三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础时变振动频谱新旧辊粗糙度的1微米、硬度的10HR的差别改变界面动力学状态、产品表面状态激光毛化表面粗糙度Ra=4µm1）复杂结构力流传递的多通道和衍生的附加力系、强度设计的不确定性活动横梁中载和纵偏载下横向受力活动横梁纵偏载下纵向受力例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性复杂机电系统基础研究的思考活动横梁中载和纵偏载下横向受力活动横梁横偏载下横向受力三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础2）多输入、强时变输出的复杂传动系统能流传递分配和动力学特性的不确定性例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性复杂机电系统基础研究的思考三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础能流传递分配系统简图能流传递动力转换时的冲击能流传递系统模型不确定性附加力系例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性复杂机电系统基础研究的思考三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础超大载荷复杂工艺多维高精度复杂组合结构设计强、刚度设计难题例4、复杂机电耦合——弱过程对强过程的畸变诱导谐波分量与触发角的关系复杂机电系统基础研究的思考1）轧机的多因素机电耦合机电耦合示意图不同触发角引发不同耦合状态控制微变量与强过程的耦合三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础2）轧辊多维振动耦合与轧机功能精度的时变性扭振频谱水平振动频谱复杂机电系统基础研究的思考垂直振动频谱三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础例4、复杂机电耦合——弱过程对强过程的畸变诱导例5、微制造系统中非线性因素的强耦合与有效能量的模糊性复杂机电系统基础研究的思考三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础劈刀振动图松紧度等级松紧度等级劈刀连接松紧度对劈刀振动谐振频率、位移、速度、电压信号的影响例6、复杂机电液系统的流体空化现象与空泡动力学复杂机电系统基础研究的思考三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础“空化”效应的双重性磨损、能耗、振动、噪声——系统强化的障碍加速化学反应，降低阻力，提高武器水中运行速度——空泡提高装备运行极限一个待开发的空间——空化机理与非线性空泡动力学复杂机电系统基础研究的思考复杂机电系统诸多过程非线性交互，涌现出种种机械学“灰色”现象，阐明与控制这些现象是当代机械学的重要任务，也是创造更为精细、强大复杂装备的基础。三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约束——发展高性能装备的基础四、复杂机电系统的研究、设计方法学复杂机电系统研究的方法学：两个重要出发点整体性，而非还原性复杂机电系统基础研究的思考如何创造一个复杂机电产品创新的先进工程环境方法学的任务时变性，而非确定性不能用研究分解的简单系统的未知问题替代复杂系统研究不追求复杂机电系统普适的最优解，需要提出适应多种动态演变的解决方案1、系统全局动态模型——功能原理与功能的广域设计1）原理设计的核心——复杂条件下功能的动态“宽频”特性与奇异“涌现”2）非线性环节的参数化建模、时变控制与过程的确定性3）技术集成与总体调控的信息融合及冲突处理、强弱过程协同的技术保证4）系统功能设计的物理实验与计算实验：复杂机电系统的重构与重现性受限，计算实验可以“生长”出多种复杂系统和复杂现象，并予以评估决策复杂机电系统基础研究的思考四、复杂机电系统的研究、设计方法学2、结构设计的物理系统保真与结构简约的协同设计1）机械结构简约化目标与物理过程协同性分析2）信息流设计与结构设计协同3、系统运行的计算实验、全域工况虚拟运行，正常与异常评估复杂机电系统基础研究的思考四、复杂机电系统的研究、设计方法学五、复杂机电系统技术集成与制造基础复杂机电系统基础研究的思考优秀的系统功能还有赖于高性能单元技术与精密制造1、高性能材料•高性能结构与功能材料•仿人肌肉材料•智能材料2、高性能元件、高功能单元3、高性能工作界面•表面形貌•工作介质•变质、改性5、机内信息动态扫描与健康保证系统4、智能传感与高精度控制技术针对不可解耦性和时变性，寻求可以工程化的原理突破1、几种典型复杂机电系统：基于多子系统交互的[物理机械]演变的复杂规律表达（结合“十一五”国家启动的重大工程）2、建立复杂机电系统“计算实验模型”的一般建模与计算实验方法3、发展支持复杂机电系统功能升级的创新单元技术4、建立支持复杂机电系统创新的综合工程研究环境六、本方向期望的创新复杂机电系统基础研究的思考1、复杂机电系统客观上以系统存在，其行为功能在综合与合成中产生，难题寓于系统，有实效的研究应结合实际系统进行。2、国家发展战略目标中，装备制造的需求最为突出，各重大工程的各类高性能装备列入“十一五”研发计划，针对性的基础研究已刻不容缓。3、建议在机械学科“十一五”规划中予以充分重视。七、复杂机电系统研究命题建议复杂机电系统基础研究的思考复杂机电系统研究：在学科前沿创造新装备、服务国家战略目标谢谢！复杂机电系统基础研究的思考