机械装备再制造的基础科学问题.docx

机械装备再制造的基础科学问题.docx

《机械装备再制造的基础科学问题.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械装备再制造的基础科学问题.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

机械装备再制造的基础科学问题

一、关键科学问题及研究内容

1．拟解决的关键科学问题包括：

针对目前严重制约我国机械装备再制造产业化进程的深层次理论与技术基础难题，本项目以再制造对象可再制造性评价、再制造毛坯键离/键合“形、性”调控、再制造产品服役安全等关键共性技术为突破口，围绕下列三个关键科学问题展开研究。

科学问题一、再制造对象跨尺度损伤演变规律及可再制造性评价理论

根据再制造对象的损伤程度及其剩余寿命等多方面因素，对可再制造性问题做出科学合理的评价是产品再制造基础研究中的首要问题。

再制造对象在长期服役过程中形成磨损、腐蚀、疲劳等各类跨尺度损伤，其损伤程度的高低决定了再制造对象剩余寿命的长短以及是否可以再制造，并进一步对再制造成形过程的效率、成本和质量产生直接影响，同时也会对再制造后产品的寿命和服役安全性产生重要影响。

但再制造对象在服役过程中受多场耦合（力场、热场、材料组织场等）作用，损伤行为具有复杂性、多样性及不确定性特点，疲劳、磨损与腐蚀损伤行为与损伤结果具有多尺度性、强关联性和高随机性，这给可再制造性评价带来了极大难度。

如何准确把握再制造对象服役环境和多场作用对跨尺度损伤的影响规律？

如何对损伤状态进行定量化物理表征？

如何基于损伤程度确定再制造对象剩余寿命，进而确定可再制造的临界损伤阈值？

这些问题必须给出准确、系统性的回答。

科学问题二、再制造毛坯的键离/键合“形、性”调控基础

对再制造对象及毛坯的键离/键合过程进行准确形、性调控是再制造基础科学研究中的核心问题。

再制造成形加工需要解决两大关键问题：

其一，再制造毛坯在复杂服役环境、外场载荷的作用下其表面和亚表面往往形成纳米级、微米级甚至更深的污染层、变性层等，为满足再制造键合过程要求，首先需结合再制造毛坯表层和亚表层各种缺陷类型及其特点实施污染层解离、键离，变性层去除及表面功能恢复。

但目前对污染层、变性层的形成和结合机制、解离和键离/键合机制仍缺乏深入研究。

其二，再制造毛坯键合过程中，二元多相异质材料结合形成新的具有复杂表/界面的亚稳材料体系结构，热、力等复杂外场作用易于造成表/界面各种宏微观缺陷，直接影响再制造产品的服役安全性。

因此，阐明多场条件下污染层、变性层的形成、演化机理，研究污染层的解离、键离和变性层的去除、改善机制，揭示再制造键合/嵌合过程中材料与能量的相互作用机理，建立再制造键离/键合过程的控形、控性基础理论及实现方法，是再制造基础理论研究必须解决的核心问题。

科学问题三：

再制造产品的服役安全与再制造过程的综合决策

再制造基础研究中的关键问题是再制造产品的寿命预测与服役安全保证。

但相比新品，二元多相亚稳材料体系下的再制造产品宏微观特性更加复杂，表面高成分复杂性、高结构紊乱性、高自由能及多界面性导致再制造产品寿命演变呈现高度复杂性与非线性，其寿命评估及服役安全性预测更为困难。

其中，需要对再制造零件表/界面结构在服役条件下的行为进行研究，从而揭示二元多相材料结构的性能演化规律；同时，必须掌握亚稳材料体系高自由能与多界面性关联竞争机制，才能揭示再制造产品的寿命演变规律，保证其服役安全性。

在突破以上理论和技术瓶颈基础上，进一步发展再制造决策支持理论和评价方法。

2．主要研究内容包括：

1）再制造对象的多强场、跨尺度损伤行为与机理,可再制造的临界阈值

针对再制造对象损伤问题的物理学本质，研究多场作用下跨尺度损伤的萌生及演化规律；揭示外场作用、跨尺度损伤、多物理参量之间的映射关系；建立再制造对象损伤定量化表征体系；探索再制造对象损伤行为和状态与其剩余寿命的关联机制，确定再制造对象损伤临界阈值。

主要研究内容包括：

Ø●跨尺度疲劳损伤的微观物理机制

Ø●多强场作用下的跨尺度磨损、腐蚀损伤行为与机理

Ø●再制造对象多物理场多尺度损伤演化模型

Ø●多类型损伤间的损伤映射规律

Ø●损伤容限及可再制造性评判机理

2）再制造毛坯的键离/解离原理与性能调控

研究基于物理、化学复合作用的再制造毛坯污染层的绿色解离、键离机理；提出多场多介质耦合作用下的复合约束解除新原理新方法；阐明再制造毛坯变性层对键合作用的排斥机制及其在外场诱导作用下的性能恢复机理；研究变性层去除过程对再制造毛坯表面/亚表面宏微观特性影响规律；探索再制造毛坯微裂纹在外场作用下的逆止方法。

主要研究内容包括：

Ø●再制造毛坯的键离/解离机制及实现

Ø●再制造毛坯表面变性层的形成机制与改善、消除机理

Ø●再制造毛坯微裂纹的逆止机理

3）再制造毛坯的键合/嵌合机理与实现

针对再制造毛坯键合/嵌合加工过程中的形、性准确调控需求，研究再制造毛坯成形加工中的异质、异相材料键合/嵌合机理及实现方法；揭示键合、嵌合过程中异质材料的微观行为及其成分和性能的变迁机制；针对键合/嵌合成形层非光滑表面特点，研究精密低应力加工新原理、新方法。

主要研究内容包括：

Ø●异质材料间的原子键合成形及控性理论与方法

Ø●异质材料间的机械嵌合成形及控性理论与方法

Ø●键合/嵌合成形层的精密低应力加工理论与方法

4）再制造零件的表面/界面行为与机理

针对再制造零件二元多相亚稳材料体系下，表/界面物态、组织结构在外场作用下的物理化学性质变迁、性能演化机制的复杂性问题，需要研究表/界面的服役匹配行为，揭示表面性能对摩擦匹配适用性及化学相容性的作用机理，阐明表/界面结构和能量的交互作用机制及表/界面性能演化机制，掌握极端工况下表/界面抵抗外加载荷侵蚀破坏的作用规律，提出适于评价再制造零件表/界面行为的新原理、新方法。

主要研究内容包括：

Ø●再制造零件表面/界面的亚稳态结构特征

●再制造零件表面的服役匹配行为、机理及设计

●再制造零件表面的润滑与自修复作用行为与机理

●再制造零件表面的极端工况服役行为与机理

●面向再制造全过程的材料与结构演变仿真建模

5）再制造零件的寿命预测与再制造产品的服役安全验证

针对具有二元多相材料体系特性的再制造零件在高自由能与多界面性的关联竞争作用下，其寿命演变呈现高度复杂性与非线性，以及再制造产品受多强场作用耦合损伤，其服役安全缺乏可靠性保障的重大难题，需要研究高自由能与多界面性“关联竞争机制”对再制造零件寿命演变的影响规律，并进一步揭示再制造产品在复杂服役环境下个体零件随机损伤间的耦合作用机制。

同时基于实验力学和数学分析方法，实现再制造产品寿命演变及服役安全预测与验证也是再制造领域无法回避的理论与技术基础问题。

主要研究内容包括：

●高自由能与多界面性竞争作用下的再制造零件寿命

●再制造零件的服役动态健康监测

●再制造零件的寿命演变机理及寿命预测数学模型

●再制造产品的服役安全预测与验证

6）再制造过程的决策支持与综合评价理论

以空气压缩机转子等核心部件为研究对象，针对再制造过程数据缺失，建立基于预估的再制造全生命周期评价体系；剖析再制造对象更换、回收及配送体系优化机理及制约因素并建立决策与评价模型；研究不确定环境下再制造单件少批量订制式生产系统运行理论与方法；构建产品非均衡寿命分配模型，揭示主动再制造时机临界点选择机制，提出主动再制造设计方法，发展再制造决策支持理论和方法体系。

主要研究内容包括：

●面向再制造的全生命周期评价体系

●再制造对象更换、回收及配送体系决策支持与综合评价

Ø●不确定环境下再制造单件少批量订制式生产系统运行理论

●面向再制造的设计基础

二、预期目标

本项目的总体目标：

本项目以大型机械装备的核心部件为研究对象，以我国目前西气东输工程中使用的大型离心式压缩机为主要研究载体，深入研究再制造领域中涉及机械、材料、力学、物理、化学及数学等多学科交叉的重大关键基础科学问题，创建可再制造性评价理论，创立异质材料原子间的键合新原理，阐明再制造零件的竞争性寿命机制，构建面向再制造的决策支持基础理论与综合评价模型，形成再制造的完整理论体系。

通过本项目研究，使我国机械装备再制造基础理论研究达到世界先进水平，提供亟需的核心再制造技术，形成国际一流的机械装备再制造学术带头人和中青年研究队伍；同时为国家再制造领域法规、政策和标准的制定提供科学依据。

五年预期目标:

（1）在理论方面

解决机械装备再制造中的关键科学问题，为再制造技术与装备的快速发展提供理论基础，跻身国际再制造科学研究领域的前沿。

Ø●揭示多强场耦合作用下再制造对象跨尺度损伤机理和演变规律，阐明再制造对象损伤与多物理参量间的映射关系，创建可再制造性评价理论。

Ø●揭示再制造毛坯变性层的性能恢复机制和异质材料间的绿色键离机理，阐明异质材料原子间的键合、嵌合及扩散行为与作用机制，建立再制造键离/键合高效控形控性理论。

Ø●揭示再制造零件表面/界面结构与性能演化规律，构建特定属性表面/界面行为评价与设计的新理论与新方法；创建面向再制造全过程的材料与结构演变数学模型；揭示高自由能与多界面性关联竞争机制，建立再制造产品的寿命预测模型及服役安全性评价理论。

Ø●创建再制造决策支持基础理论与综合评价模型，提出主动再制造设计方法，建立再制造对象更换、回收和配送优化模型，揭示面向再制造的批量化生产协同机制，构建面向再制造的全生命周期评价体系。

（2）在技术方面

通过本项目研究，在再制造的若干关键技术上取得源头创新成果，提供亟需的核心再制造技术，并在沈阳鼓风机集团股份有限公司等企业进行验证。

主要关键技术指标如下：

Ø●实现再制造对象表面与内部微缺陷、微损伤的多参量集成无损检测。

缺陷检测的最小当量尺寸小于100微米，应力集中区域的检出率达到90%。

●研发键离过程与键离物质绿色化与无害化的复合清洗技术及其相应装备，在满足清洗表面质量要求的前提下，相比传统清洗技术，提高资源利用率，减少综合污染排放:

实现节水50%以上,节能10%以上,污染物及有害物质回收率达95%以上。

●实现再制造毛坯高效率、高质量地键合/嵌合。

针对易氧化、易变形、高碳含量等难修复零件，研究开发变极性等离子熔覆、光纤激光熔覆等技术与工艺装备，实现键合区孔隙率低于5%。

●突破再制造零件多类型损伤的在线监测技术与服役能力的综合评估技术，创建再制造零件的服役动态健康监测系统和再制造产品（如重载车辆的再制造发动机）服役安全验证平台，通过对声、光、电、磁等弱物理信号的准确提取与处理，实现对再制造产品服役寿命的高置信度预测，置信度不低于90%。

●再制造后的大型空气压缩机转子符合API标准，电跳值达到6.3μm以下，机械跳动值小于20μm；转速20000rpm时，高速平衡偏移量小于0.3mm；典型转子（装配100kg叶轮5部，主轴重量800kg，工作转速20000rpm）低速平衡偏移量小于0.41mm。

●开发面向再制造全过程的材料与结构演变仿真系统，构建及开发面向再制造的全生命周期评估工具及其支撑数据库，实现对再制造产品的全生命周期清单分析；再制造系统全工艺过程的耗能量化计算及碳轨迹量化描述。

在国内外学术刊物上发表论文300篇以上，其中SCI/EI论文200篇以上，授权或受理国家专利或软件著作权登记20－25项，撰写中文专著3－5部、英文专著1－2部，获得省部级一、二等奖励2－3项；形成具有重要国际影响的再制造研究队伍，培养一批从事再制造研究的优秀中青年人才，包括博士后、博士和硕士100名左右。

三、研究方案

1．总体研究思路和技术路线及可行性

1）学术思路

结合我国装备制造业发展的重大需求，围绕机械装备再制造面临的重大挑战，确定关键科学问题，开展六个方面的课题研究，如图1所示。

本项目形成理论方面的源头创新成果包括：

再制造对象的可再制造