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程耿东院士南下开课:用力学助推制造大国向制造强国转型

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发表于 2019-6-11 11:15:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
国之栋梁,铸就大国之材!《大国之材》栏目聚焦材料界学术泰斗、行业领军人物,通过大型系列纪录片、系列丛书、视频访谈、媒体报道等多种形式,见证中国材料人奋勇拼搏、砥砺前行的成长轨迹,记录中国从材料大国向材料强国迈进的发展史。

《大国之材》分为《人物篇》、《企业篇》、《行业篇》等,包括《院长来了》、《对话》等子栏目,分别从不同视角记录充满智慧的材料人的故事。

“火箭发射上去爆 炸了,桥梁塌了,房子塌了,凡是有坏事,就找力学的人来问是怎么回事,但是有好事的时候,大家并不知道这就是依靠力学的支撑。”

6月8日,由深圳市科技创新委员会、深圳市科技创新战略研究中心主办,大连理工大学深圳研究院承办的深圳虚拟大学园第六届名校名师公益课堂第五讲课堂在深圳虚拟大学如期开课。

开课前,看着大屏上生涩难懂的《结构拓扑优化与增材制造》课题,台下“学子”个个面露难色,不料大连理工原校长程耿东院士用略带玩笑的一席话,瞬间让课堂活跃起来。

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“力学不应该只限于结构分析,还应大力开展结构优化设计”。作为我国著名的力学专家,从上世纪70年代,程耿东院士就开始了力学结构优化设计,是结构拓扑优化理论的奠基人之一。他是我国改革开放后国家首批派出留学欧美人员中第一个获得博士学位的人。

用力学给火箭减重就是科学“打孔”

国家重大装备是程耿东力学结构优化早期最重要的试验田。

“给火箭减重645公斤,单次火箭发射成本下降2000万元人民币。”对这份成绩单,程耿东院士是比较欣慰的,“因为重量减轻,燃料就可以少装,况且材料用量减少本身就是省钱。”

那么,力学结构优化设计是如何实现这“力拔山河”的效果?

据悉,结构优化可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。而拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化,具有更多的设计自由度,能够获得更大的设计空间,是结构优化最具发展前景的一个方面。

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用程耿东的话来说,“拓扑优化就是在一定范围内的材料上打孔”。

他进一步解释道:“挖一个孔,那么材料减少一点,也可以挖两个、三个,这些不同开孔的数据叫做不同的拓扑,最后再这些不同的拓扑结果之间,计算出一个最有效的拓扑数据,就是拓扑优化的最终结果。”

由于结构拓扑优化的复杂性,因而目前主要应用于航空航天、重大基建等对减重要求迫切敏感的重大项目中。

程耿东院士表示,上海的商飞和商发都是拓扑优化的重要服务对象,帮中国的大飞机和航空发动机减重是一项持续工作,而空客也曾在多个机型设计制造时运用过拓扑优化。

“空客之前就有个部件太重了,我们就通过拓扑优化办法,告诉工程师怎么‘挖孔’,最后降低了500公斤。”

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拓扑优化在空客A380上的应用

但令人兴奋的是,另一种新型制造技术的突破,让程耿东看到了拓扑优化走向大众产品的未来。

增材制造与拓扑优化是天作之合

由于增材制造采用逐层制造的方式,突破了传统制造受到的几何、拓扑、材料和多层次的复杂性的约束,这恰好满足了结构拓扑优化创新的性能优异、结构形状复杂、制造难度高的要求。

在程耿东院士看来,增材制造与拓扑优化几乎可以称之为是天作之合,甚至直呼“Topology optimization + Additive manufacture = An ideal marriage!”。

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无独有偶,2018年年底,国际数据公司发布了一份十项预测分析数据,其中有一条着重提到拓扑优化。

据IDC预测,“到2021年,全球30%的电子制造商将采用3D和4D,以满足不断增长的物联网应用对可伸缩和柔性电子产品的需求;在2023年之前,50%的工业和专业3D将受到生成设计、拓扑优化和市场软件的影响。”

其实,3D之所以如此看重拓扑优化,正揭示了制造业转型升级对创新设计的基本要求。

在程耿东看来,我国之所以是制造大国,却不是制造强国,正是因为在这几十年制造业迅猛发展时期更多的是充当代工厂的角色,直接跳过了设计环节,因而创新设计是我国从制造大国向制造强国转变的关键突破环节。

程耿东院士认为,拓扑优化是结构优化最具发展前景的一个方向,也是制造业创新设计突破过程中最需要的一个科学理论,如果能用制造自由度高的3D技术生产出通过拓扑优化设计出的复杂产品,将极大推动基于拓扑优化的3D走入百姓生活。

他举例道:“比如说一只玩具猫,大家知道一斤铝的价格只要十几块钱,但3D所需要的原材料铝粉,一斤得卖2000元,如果通过拓扑优化设计出一个外表是铝、内部是泡沫或其它材料的结构,将大大降低这只玩具猫的生产成本。”

而程耿东院士选择南下在深圳虚拟大学“开课”,也正是因为深圳所处的粤港澳大湾区珠是我国制造业重心,且越来越重视产品设计,此外,深圳多家增材制造单位也正在积极探索如何提高增材制造产品的附加值。程耿东希望通过拓扑优化,让深圳的制造业与增材制造实现更科学的结合。

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程耿东院士与前来听课的学子们合影留念

据悉,深圳虚拟大学园第六届名校名师公益课堂自4月13日开课,公益课将邀请国内外20所高等院校校长陆续前来开课,此次课堂为本年度第五讲。



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