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对话郭东明院士

时间:2022-06-07来源:机械工程学报

导语:2022年5月21日上午,大连理工大学校长郭东明院士受邀参加“高性能制造高端论坛”并作题为“高性能制造技术( High Performance Manufacturing, HPM)——制造技术的进步和制造理念的提升”报告。

  关于“高性能制造技术——制造技术的进步和制造理念的提升”报告答观众问

  2022年5月21日上午,大连理工大学校长郭东明院士受邀参加“高性能制造高端论坛”并作题为“高性能制造技术( High Performance Manufacturing, HPM)——制造技术的进步和制造理念的提升”报告。报告共分高性能制造技术的需求背景、内涵、总体框架及特征、使能技术、典型案例、结论与展望六个部分,从高端装备及其零部件的特点、制造要求和制造技术的现状出发,阐明了高性能制造的内涵,并针对高性能制造未来发展趋势提出了独到见解。此次论坛报告直播间人气爆棚,总收看超过5.5万人次。大家对郭院士的报告反响热烈,纷纷在评论区发表自己的观点与想要交流、探讨的问题。由于时间原因,报告结束后主持人从众多问题中精选了3个问题请郭院士解答,郭院士细致入微的回答,令大家受益匪浅。会后应大家的要求,我们又从评论区中精炼出20个具有代表性的问题,再次邀请郭院士为广大科研工作者解惑释疑。郭院士针对以上热点问题,不仅采用书面形式做出了深入浅出的解答,而且表示愿意与广大科研工作者进一步探讨并共同推动高性能制造技术的发展,助力制造强国的早日实现。《机械工程学报》也将持续关注,为广大科研工作者搭建学术交流的桥梁,助力高性能制造的发展。

1.问:现在制造中设计人员与制造人员交流较少,要推动高性能制造应当是上游还是制造这边?

  郭院士:这正是传统设计制造的问题所在,交流少、协同难,产品的性能无法保证。因此,急需高性能制造的推进,这首先要求技术总管,如总师,要有这种认识,其次是设计和制造人员都有这种认识。当然了,制造研究人员要有高站位,从产品性能角度来分析和说明设计参数与制造参数的影响,从而提出有助于性能提升的建议,设计人员和产品技术总管才可能接受制造人员的意见。

2.问:智能制造模式相对传统加工,在高性能装备制造具有的优势主要体现在哪些方面?

  郭院士:高性能装备制造,是可以称为高性能制造的,可以用智能制造来实施,但不一定必须用智能制造。智能制造和高性能制造的共性特征都是要基于建模的数字化制造。智能制造是对制造系统建模的基础上实现制造过程的数字化、自动化和智能化,高性能制造是对产品性能建模和制造全过程建模基础上的产品设计和制造,一定是数字化制造和可计算的制造,但不一定是智能化制造。也就是说,智能制造追求的是制造过程的智能化,高性能制造是在产品设计制造的全过程中,始终追求的是保证产品的性能。

3.问:高性能制造和高精度制造,通过制造实现多目标追求,多目标之间是否存在优先性,先保证精度还是先保证性能?

  郭院士:高性能制造中,精度是为了保证性能在设计中提出的制造要求,性能是最终目标,精度是过程中的因素。如果低制造精度就可以获得高的产品/装备性能,就没必要选择高精度制造。因为一般来说,高精度制造往往对应的是比较高的制造成本和比较长的制造周期。

4.问:请问从经验制造,到科学制造,目前有哪些操作性强的途径?

  郭院士:科学制造,所谓科学的制造,就是说制造的过程要能科学的分析和描述,能计算的不一定是科学的,但科学的一定是可以计算的。所以说,科学的制造,就是产品的设计、产品的制造以及制造的全过程,都不是依据经验进行,而是基于分析、计算和优化进行的。也就是说要对产品本身及其设计制造全过程进行全面的建模,可以是基于理论建立的模型,也可以是基于经验和数据建立的模型,也可以是基于理论与数据相结合建立的模型。这个模型的运行,尤其是边界条件等参数的确定,必须是根据实际的条件、具备的生产制造技术和工艺过程等情况得出的,产品的设计和制造都是根据产品性能要求,基于模型分析、计算、优化给出的。这就是与传统的依据经验的制造的本质区别。实现科学制造的途径,首先是产品的性能建模,其次是基于性能模型的设计,即面向性能的设计(DFP)和面向制造的设计(DFM),以及制造系统的建模等。

5.问:高性能制造对产品设计和工艺的协同是不是提出了很高的要求,在当前设计制造相对独立的背景下,如何更好地促进高性能指标设计解耦和工艺映射?

  郭院士:高性能制造首先是要从制造理念上明确产品性能保证是一切制造的目标,通过性能建模把所有环节有机关联起来,通过性能关联模型把设计和制造有机协同起来。因此可以说,高性能制造是针对传统设计与制造分离提出的系统性解决方案,对现有设计制造过程具有良好的兼容性。特色的地方在于,要求设计和制造环节作为子系统,在系统层的指导下进行指标的分解、参数的解耦和学科的协同。大连理工大学在高性能天线罩、飞机高性能缩比风洞试验模型、核主泵等高端装备和关键零部件的制造研究中进行了成功的尝试和应用,《高性能制造》的最新论文即将在《机械工程学报》刊出,敬请关注。

6.问:请问高性能制造底层用的相关软件工具是自主的还是国外的?

  郭院士:由于高性能制造提出时间还不长,目前还主要集中在一些典型零件和典型装备的研制上;虽然在某些具体的支撑性技术方面,有一些相关的程序和软件系统,但总体来看,目前还没有专门的协同平台或者软件,需要高性能制造领域的专家、学者、工程师在这方面进行深入系统的研究,逐步建立。

7.问:高性能制造中的“建模”与“仿真优化”有什么区别,分别解决什么问题,或者起的作用是什么?

  郭院士:高性能制造中的建模,主要目的是建立材料、结构和工艺参数与产品性能的量化映射关系,是高性能设计和制造的重要基础,包括解析建模、数值建模、数据建模、联合建模等各种具体方法。近年来,单一的机构构型建模已经发展到考虑机构速度、精度、刚度和动态性能等的“功能-构型-结构”综合解空间建模。上海交通大学的高峰教授和天津大学的黄田教授在这方面分别做出了引领性和创新性的工作。性能建模技术正逐渐从关注几何设计的CAD建模发展到关注物理性能的CAE建模,从稳态静力学建模转为瞬态、时变的动力学建模,从单一零件建模发展为刚柔耦合的多体动力学建模,从结构应力的单一物理场建模跨入流固热多场耦合建模,从宏观单尺度建模拓展到宏微多尺度建模,从均质连续性建模到非均质离散、连续混合建模,从全数字虚拟建模发展为虚实融合的半实物建模。仿真优化是基于建立好的模型,进行性能的协同优化。仿真优化是实现高性能制造的支撑技术之一,包括正向设计阶段产品性能的规律分析,材料、结构等参数的优化,以及制造过程的仿真预测和工艺参数的优化等。

8.问:具体实施过程中,怎么实现“定式定域定量加工”,现在有哪些具体技术?

  郭院士:“定量定域定式加工”有两层含义,一是根据设计(DFP和DFM)制定出具体的工艺规程,确定每一道工序的加工工艺方法(确定的加工方式)、加工区域(即确定的区域)和加工去除(或增加或改性处理)量(即确定的量,是一个名义量值),由此进行的加工;二是由于设计制造中不可消除因素造成初步制造后性能有偏差,根据性能偏差和制造出零件的实际几何和材料特性量值,反求得到零件、部件的下一步精密加工去除(或增加或改性处理)量(这里是一个绝对量值)、加工区域和加工方法,由此进行的加工。因此,在完成初步制造后性能超差后的制造阶段,“定量定域定式加工”中的“定量”和“定域”指的是根据性能偏差反求得到几何参数或材料特性的修正量和位置,“定式”指的加工方法或方式,总的可以分为减材、增材和改性处理三大类,具体地根据几何和材料特性修调要求,确定特定方式。目前可以实现定量定域定式加工的技术有很多,包括传统的和各种新的加工技术,但精确的定量加工往往需要的是测量加工一体化的精密加工新工艺和新装备。例如在天线罩精密加工中的逐点按需实现微米量级去除的测量磨削加工一体化工艺与装备,在半球陀螺谐振子性能修调中用离子束或超快激光技术的逐点按需的亚微米级去除加工技术,在高性能飞机颤振模型件制造中用局部复材微量增材工艺技术,其它例如光学领域确定性抛光的各种技术也可以实现定量定域定式加工。

9.问:高端装备组成从子系统、部件和零件层面是非常复杂的,如何能实现性能的建模,我们应该从哪些方面努力?

  郭院士:高端装备通常是复杂的机电复合体,包括不同的零部件、子系统等,同时兼具多学科与多领域的特点,其系统建模颇具挑战性。因此,其性能的建模不能“求全、求大”,而是要“小而精”,也就是要具有明确的目标导向性,要根据高端装备的使用要求,分析凝练出关键的性能指标,进而有针对性的建模。对于次重要的零部件可以进行科学合理的简化,采用“子模型”的方法,进行“低保真度建模”,对于关键零部件或子系统,应该重点关注,进行“高保真度建模”,最终通过多个模型接口将不同的模型组合成可建模、可求解的“多保真度”和系统级模型,实现高端装备性能的快速和高精度分析、预测。目前,我们国家在性能建模方面的研究存在明显不足,技术上缺乏基础工业软件的支撑,行业政策上缺乏知识的透明度与共享度,不同领域、不同部门各自为战,标准化和协调性不足,一定程度上限制了高端装备的性能建模,这是我们未来要努力解决的问题。

10.问:面向复杂系统时怎么解决建模和求解问题?

  郭院士:复杂系统建模确实非常困难,需要多学科知识,并且不同类型的系统之间差异性很大。建模和求解是不同的两个问题,没有模型就谈不上求解,有了模型,有时由于模型极其复杂,其求解也是极其困难的。复杂系统的建模可以先从子系统的建模或主要因素之间关联关系建模入手,由相对简单系统入手,逐步深入完成复杂系统建模。复杂模型的求解则需要借鉴和利用先进的计算科学,比如并行计算、人工智能等技术。概括起来,建模和求解就像硬币的里面,也应该综合考虑二者的协同性,遵循的路线应该是“分-合-分”的策略。

11. 问:高性能制造是否需要考虑设计,比如机械设计、机构设计、力学分析等,与高性能制造是什么关系?

  郭院士:高性能制造是一个广义的系统性理论,而非狭义的机械加工技术,它涵盖了从方案设计、详细设计到加工制造、装配,到性能检测的全链条,机械设计、机构设计、力学分析等都是高性能制造中,设计环节中不可缺少的关键内容。高性能中的性能是一个泛指,需要根据具体对象具体划分,比如FAST天眼等重大装备的高性能制造,既要充分考虑机构的运动特性,也要考虑复杂工况下的静力学、动力学问题,同时要考虑精度和可靠性等性能要求,是一个典型的虑及多学科影响关系的智能化的制造,需要材料、设计和制造等的充分协调与配合,更需要制造过程中的合理修调来充分保证其最终使用性能。

12.问:关于高性能设计与制造一体化,是否有专门协同平台完成所有流程的单一数据源传递工程和反复迭代多尺度自动修正?

  郭院士:由于高性能制造提出时间还不长,目前还主要集中在一些典型零件和典型装备的研制上,虽然在某些具体的支撑性技术方面,有一些相关的工具和软件系统。但总体来看,目前还没有专门的协同平台或者软件,需要高性能制造领域的专家、学者、工程师在这方面进行深入系统的研究,逐步建立。

13.问:数字孪生技术目前在国内高端制造的现状是什么?

  郭院士:数字孪生是随着装备制造发展的需要,近几年出现的一项新技术,尽管炒作很热,但总的说来尚属于发展阶段,在高端装备制造中用的还不多,更多的是在研究过程中。数字孪生的基础是产品的性能和制造过程的建模,不仅需要多学科的知识,需要强大的工具软件支撑,还需要与实际的物理系统实时有机连接。大连理工大学的宋学官教授近几年在数字孪生方面的研究比较深入,提出了形性一体化数字孪生方法,针对若干个企业产品进行了很有特色的数字孪生工作。

14. 问:在高性能制造实现过程中,人工智能和数字孪生等技术能发挥什么样的作用?

  郭院士:人工智能在各行各业的应用由来已久,随着先进传感技术的不断发展,各种传感器的广泛应用,制造过程中的有效数据量会越来越多。这些累积的数据是宝贵的资源与财富,通过人工智能的方法分析和挖掘这些数据,一方面可以从实际测量数据出发,从速度、压力、流量、温度、影像等不同角度,更好地了解高端装备性能的演变规律;另一方面,通过人工智能的辅助,可以更好的解决很多机理模型的不足问题,做到“机理建模、数据修模”。数字孪生是近些年非常热门的技术概念。简单来说,其在高性能制造中,可以发挥两类作用,一是采用机理模型、实时传感数据以及专家知识等信息,构建具有多学科、多尺度等耦合特性的实时“随动”孪生模型,能够在虚拟空间中实现真实物理体形态与性能的精确模拟与映射;二是运用构建的孪生模型对真实物理体的镜像模拟、分析与优化调控,辅助真实物理体实现智能化、最优化操控与运行,也就是基于镜像模拟的优化调控,实现真实物理体、制造过程的最优输出表现。我们团队的论文《重大装备形性一体化数字孪生关键技术》近期会在《机械工程学报》以封面论文形式发表,里面有更多关于数字孪生与高性能装备相结合的思考与讨论,敬请关注。

15. 问:高性能制造关注的性能有哪些,哪些是普通加工制造难以实现,从而必须用高性能制造的方法?

  郭院士:随着应用空间的不断拓展和服役性能的不断提升,航空航天、能源动力、信息电子等领域对高端装备的需求迫切。这些高端装备以承载、传导、换能、运动、隐身等性能的精准保证为主要制造目标,往往是机电液多系统构成,涉及到多学科知识,不仅性能要求高,且往往系统和结构复杂、构成装备的材料特殊且难加工、零部件表面完整性或精度要求极高,制造难度极大。利用传统设计制造技术面临造不出、造不好(性能不稳定或可靠性差)、或废品率高、周期长等挑战,必须寻求系统性的、基于科学的新的方法和技术解决。这些高端装备或高端装备的关键零部件的制造,建议用高性能制造技术。

  例如,以报告中的飞行器颤振风洞试验缩比模型为例,它其实是一种典型的高性能装备产品。它的制造不仅需要保证几何外形、结构和质量分布与原飞行器的精确相似,更需要保证多阶频率与原飞行器频率的精确相似。然而,仅靠调控工艺参数,缩比模型多阶频率难以满足指定要求,或者为精确控制几何和材料误差范围,需要提升成形装备与工艺从而带来成本的急剧增加,缩比模型制造的经济性变差。这时候,采用高性能制造的思路,基于颤振缩比模型多阶模态频率与模型几何、材料、连接等设计参数的关系,在模型频率测量和误差分析基础上,通过缩比模型反求修正加工,可以实现多阶频率精确保证的缩比模型制造。

16. 问:高性能制造中是否涉及增材制造,请问如何看待增材制造对高性能制造的贡献?

  郭院士:高性能制造是以性能精准保证为主要目标的制造新理念和模式,区别于传统以精度保证为主要目标的制造模式。增材制造是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法,这种方法使得过去传统加工方式无法实现的复杂结构件制造变为可能,是高性能制造的一种重要支撑技术,也是“定量定域定式”加工的定式中的一种加工方式。加工能力的提升减少了制造约束,具有更大的可行设计域,在高性能制造的“面向制造的设计”环节,设计空间更大,容易获得更优的设计性能,满足更高的性能指标。因此,增材制造是实现高性能制造尤其是具有材料-结构-功能一体化特征的高性能零件制造的一个重要技术支撑。

17.问:高端产品大飞机的零部件制造中,关键部件中飞机轮胎设计制造是否可以归结为高端或高性能制造的领域?

  郭院士:可以的。大飞机轮胎的性能要求是非常高的,远远超出一般轮胎的要求,因而对轮胎的材料、设计和制造都提出了很高的要求。

18.问:在大尺寸晶片制造方面,未来的主要研究方向和发展趋势体现在哪些方面?

  郭院士:一是新型芯片技术发展出现的新材料晶圆制造,如氮化镓、碳化硅、金刚石等非硅材料晶圆和晶片制造技术;二是高效低成本的自动化晶圆和晶片制造技术;三是少或者无缺陷的晶圆和晶片制造技术。

19. 问:我想了解下光刻机制造的瓶颈主要在哪?我国的光刻机发展前景如何?

  郭院士:光刻机其实是微电子制造领域一类重大装备的总称,根据应用范围分为:前道光刻机、后道光刻机、LED光刻机、面板光刻机。目前,技术难度最大的就是ASML制造的EUV光刻机,它不仅体现了很多制造技术的极限,如极紫外光源、高精度镜头、精密工作台等方面都体现了制造技术的巅峰,还体现了围绕产品的极高性能要求,多学科深度融合、科学设计和系统分析、多单位多专业顶尖科技人员长期协同合作研究的结果,而我们国家在这些方面存在明显的差距和短板。国家对光刻机研制极其重视,国家、行业都在大力投入,人才队伍数量和质量也在稳步提升,关键零部件性能也日益提高,但光刻机研制是一个极其复杂的系统工程,链条很长,任何一个看起来不起眼的小的环节或小的配套装置,都可能成为系统的瓶颈,必须久久为功。我国光刻机近年来已经取得了一些突破性进展,相信在不久的将来,我们也能造出自己的高性能光刻机。

20.问:针对制造工艺专业,存在毕业后5年过渡现象,请问校园理论教学与工程实践如何有机结合?

  郭院士:任何一个专业的学生,在学校的学习,学的不仅仅是专业知识,更核心是对专业基础知识的学习方法和能力,这里的方法指的是学习知识、运用知识分析问题解决问题的方法和能力。这些学习和运用基础知识的方法和能力,对任何一个学生来说,都会是终身受用的。但是具体进入到某个行业的时候,肯定会有一段时间(不一定是5年)的过渡或者适应,这是正常现象。这个过渡期也恰恰就是理论学习与工程实践的结合期,要想过渡的流畅、快速,理论教学与实践教学在教学中就不可或缺、不可偏颇,所谓“学而不思则罔,思而不学则殆”,必须有机结合。随着近年来国家对大学的工程实践和创新的教育教学,以及对大学的创新实践教学基地建设越来越重视,投入越来越大,相信人才的综合素质会越来越高,这个过渡期也会越来越短。

  郭东明院士简介:

  郭东明,中国工程院院士,大连理工大学机械工程学院教授。高性能制造理念的倡导者,长期从事高性能制造理论、方法、技术、工艺与装备方面研究,形成了工艺理论基础研究与工艺装备研发应用密切结合的研究特色,在高性能零件精密制造、难加工材料零件精密超精密加工等方面取得突出成就,主持研究出系列化制造技术及装备,为解决国家重大工程中的关键制造工艺技术难题做出重要贡献。获国家技术发明一等奖1项、二等奖1项,国家科技进步一等奖(创新团队)1项、二等奖1项,“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖,担任《International Journal of Extreme Manufacturing 》和《Frontiers of Mechanical Engineering》杂志主编。

标签: 高性能制造

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