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河北工程大学赴美国智能装备先进制造技术培训的报告

2014/05/16
出访单位:河北工程大学
出访国家:美国
成果分类:文化教育
接待渠道:美国密西根州立大学
培训时间:2014.04.01-2014.04.3

    应美国密西根州立大学的邀请,以河北工程大学潘越任团长的智能装备先进制造技术培训团于2014年4月1日至30日对美国(国家/地区)进行培训。培训期间,主要了解国外在智能装备制造方面的科研动态、学习先进的科研教学方法、探索与国外先进大学交流合作的途径。现将有关学习情况报告如下:

    一、基本情况

   (一)智能装备制造出国培训班一行10人,均为相关专业的高学历或高职称的专业教师组成。其中具有副教授以上职称的7人;具有博士以上学位的8人。

   (二)培训学习主要有美国工程教育概况,智能装备的数字化及设计,车辆工程,材料工程,电气工程,人工智能技术,嵌入式应用系统,化学试验技能等内容。

   (三)学习交流以密西根州立大学为主,期间进行了计算机技术的课程学习,深入到密西根州立大学4个重点实验室进行交流学习,对大学生F1赛车竞赛团队进行了观摩学习。

   (四)赴纽约大学、哥伦比亚大学、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校开展了专题研讨与参观活动;在旧金山城市学院和旧金山州立大学进行了工程教育实地培训。

    二、主要收获

    通过本次培训学习较系统的学习了信息系统与技术、高性能电池的应用与研究、汽车壳体新材料制备技术、7自由度机器人、微型机器人、纳米机器人等机器人技术和大型电机装备开发等先进技术成果,同时还学习了解了美国大学生工程教育的理念和方法。

    (一)信息系统是一个由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统,基于计算机的信息系统是以计算机软件硬件存储电信等技术为核心的人机系统

    信息技术(Information Technology,IT),是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件,也常被称为信息和通信技术。主要包括传感技术、计算机技术和通信技术。

    信息技术在美国的应用十分广泛,以通信技术为例,在美国大学的教学楼、餐厅,以及商场、公寓等楼宇内都提供免费WiFi,其中包括提供给游客使用的无密码网络。

    培训期间学习了无线链路部分。信号在传播过程中由于路径损耗会产生信号能量的衰减,把这种信号能量的衰减称作为衰落。标准无线网络频率(例如:2.4GHz)被各种设备共享,例如:电话、电机等,各种设备对同一个频段的贡献也就是说各种设备之间存在干扰。无线信号在不同的时间通过多个目标的反射后到达接收机,是由于无线链路中存在多径现象。

    培训期间学习了小尺度衰落问题,小尺度衰落用于描述在短时间或短的传输距离内,信号的幅度、相位或多径时延的快速变化,因此可以忽略大尺度路径损耗。衰落的原因是发射的信号在不同的时间和不同的方向到达接收端。小尺度衰落的原因是无线链路中存在多径现象。

    学习了多径现象,其主要表现在三个方面:1、在比较小的传输距离或者传输时间内,信号强度发生了快速的变化;2、由于不同的多径信号的多普勒频移不同,因此频域上的信号调制是随机变化的;3、由于多径时延扩展引起,信号的时域弥散。小尺度衰落的要素包括:1、多径传播:由于可能存在ISI,可以引起信号畸变;2、移动速度:多径信号中不同径的多普勒频移不同,这导致随机的频率调制;3、周围物体的运动速度:导致多径信号的时变多普勒频移(多普勒频移直接决定相干时间) ;4、信号的传输带宽:如果信号的带宽远大于多径信号爱的带宽,那么接收信号将会畸变,但是在一个局部区域内,接收信号强度将不会发生剧烈的衰减。相干带宽与信道多径结构相关

   (二)材料工程培训主要包括两个方面:1、金属材料;2、复合材料,主讲教授有Xinran Xiao和Wei Lai

    Xinran Xiao教授主要从事金属、高分子、复合材料的力学行为研究,例如断裂、疲劳、耐撞性、多物理现象等。

    Xiao教授讲课题目是“编织复合管粉碎模拟研究进展”,介绍了复合管的特性、应用以及对其管粉碎预测模型的改进。复合管状结构的高比能量吸收(SEA),使得他们成为能量吸收结构应用中(如车辆前纵梁)的新研究焦点。

    在车辆的结构中包括主要复合组件需要数值仿真工具,可以预测各种负载条件下,包括碰撞下汽车的结构性能。在以往的研究中,编织复合材料管的轴向挤压模拟倾向于产生整体屈曲,这与稳定的破碎行为实验中观察到的不一致。结果发现,基于连续损伤力学本构模型(CDM)框架是不足以代表损坏的复合材料的卸载响应。 

    在轴压试验,编织复合材料管形成多个连续挤压的叶子。局部卸载时发生的物质移动的挤压前沿成为碎叶部分。卸载响应材料的不当表示影响结构计算总吸收能量。为了解决这个问题,采用一个模拟模型来描述压缩损伤复合材料的卸载路径。这种方法在CODAM中实施,作为一个用户定义的复合模型的显式有限元代码LS-DYNA®。改进的CODAM模型显着提高了管粉碎的预测精度。

    Xiao教授还带领我们参观了Composite Vehicle Research Center(复合材料车辆研究中心),该中心的理念是From Idea To Reality,能够提供现实世界的解决方案。由于其军方应用背景,管理非常严格,出入需要参观证,并且每道门的开门时间也有限制,超时时就会诱发警报。

该中心的研发的产品及测试装置都是针对实际应用的研究。例如高分子复合材料螺栓连接时,由于其低的摩擦系数等原因,螺栓容易松动滑脱,严重影响结构的安全性,他们采取在螺栓和紧固复合板之间浇筑高分子材料的方式,将连接件进一步紧固固定,彻底解决了复合材料螺钉松动的问题。 

    Wei Lai教授主要从事高性能电池的研究,其负责的锂电池电解质材料实验室,主要设备有电性能测试仪、手套箱等,手套箱用于样品制备过程中的保护,消除水分对样品的性能的影响。 

   (二)电气工程培训主要电力电子与电机驱动技术。主讲教授彭方正博士是Michigan State University华人权威教授,美国Lockheed Martin技术成就奖获得者,IEEE Fellow,电力电子与电机驱动实验室主任。主要研究方向是电力系统电力电子技术和高性能特大功率变换技术。

    电力电子技术介绍了新能源发电、逆变并网、光伏电动汽车等内容。电机驱动与调速技术介绍了高铁电力机车驱动的开发,并参与电力电子与电机驱动实验室科研交流活动。 

    (三)人工智能技术培训主要包括7自由度机器人、微型机器人、纳米机器人等机器人技术。由席宁教授的研究团队主讲。

    席宁教授现任密西根州立大学 John D. Ryder 讲席教授和沈阳自动化所特聘研究员。同时兼任IEEE Nanotechnology Council主席。

    智能控制技术分为三个层次,即,大型机器人、微型仿生机器人、和纳米尺度机器人。

对于大型机器人研究的重点是多自由度智能机器人,难点主要是多刚体的快速算法问题。

对于微型机器人,研究的主要方法是采用仿生方法,以此来实现动作灵活、环境适应性强的使用要求。

通过交流发现,对于纳米尺度的控制问题,目前只要是研究纳米尺度的电子运动、温度场、应力场,研究的主要方法是实验(常用仪器如SEM、AFM等),还难以建立其动力学模型。 

   (四)过程装备实验技术培训包括单元操作的实验技术和材料力学性能实验。

    1、单元操作的实验技术。

    虽然单元操作(相当于国内的化工原理)理论框架基本成熟,但是由于实际工业过程的复杂性,单纯的理论计算和数值模拟还不足以完全满足工业实际的需要,因此,在教学、科研中极其重视试验研究。如图1所示,密歇根州立大学工学院的化学过程系建立了完善的单元操作试验系统,包括(a)动量传递、(b)热量传递、(c)精馏塔和(d)吸收塔。

    在学生培养方面重视:(1)以学生自主动手为主,教师辅助指导的创新型试验模式,而不是简单的进行验证性试验。(2)由于化学工程是一个高危险行业,注意培养学生的安全意识,配备有完善的安全保护设施,试验前有试验计划,试验中教师监督,确保学生身体安全。

    2、材料力学性能实验

    除了提高传递过程及化学反应的高效率外,过程装备先进制造技术的另一个重要方面是安全性、可靠性的研究,即“结构完整性评估技术”(相当于国内的安全评价或合于使用评价)。通过交流和参观实验室我们发现:

   (1)在美国,一些重要工业设计的结构完整性评估的关键基础工作是材料的力学性能实验。

   (2)除了常规力学性能实验仪器外,最为瞩目的是根据工业使用条件自主设计的力学性能试验装置,如:高塑性变形速率破坏实验装置、高压爆破实验装置。

   (3)对于复合材料,由于影响材料力学性能的因素(组织结构、成分、界面性能)的相互关系极其复杂,目前,还没有可靠地理论方法预测力学性能,试验依然唯一可靠地方法。

   (五)智能装备的数字化及设计和车辆工程的培训主要学习了汽车驱动控制技术、数字化控制技术、大学生F1赛车制造等内容。 

    密歇根的方程式赛事是全美最大的大学生方程式赛事,每年都会吸引来自全球的100多支代表队参赛,而密歇根州立大学的方程式赛车是美国大学生方程式赛车的传统强队,此次培训,经过沟通协商,我们亲眼目睹了密歇根州立大学的即将在5月份参赛的方程式赛车及制作过程。为对我校大学生方程式赛车的指导工作开阔了视野,打开了思路。

    在加州伯克利,我们参观了加州大学伯克利分校,还到劳伦斯伯克利实验室进行了访问,在Haimei Zheng博士的带领下,我们对伯克利实验室的各种电镜充满了敬仰。自旋偏振低能电子显微镜,样品温度可高达2500oC;可原位观察样品表面的结构和电性能;电子束偏振可以观察磁畴结构。 

    在样品制备室有各种各样的透射电镜制样设备,有凹坑机、研磨机、溅射减薄仪等。更为令人惊叹的是,这里有些电镜主镜筒是开放的,可以根据自己的需要方便地更换部件,科技人员还可以为电镜安装激光装置,使需要能量的动态过程观察更为便捷。我们还见到了世界上最大的透射电镜,该电镜有100多级透镜,需要登上梯子去安装样品。

    此次培训学习见证了国外在研究中从理论分析到样本制备再到实验验证再反馈到理论分析,完整的研究过程。还与旧金山州立大学、旧金山城市学院等大学建立了联系,探讨了教师交流、学生互换等合作方式。

    三、启示或思考

   (一)我们和美国的差距没有想象的巨大,此次出访增加了对祖国近些年快速发展的自豪感。

   (二)我们和国外先进大学的主要差距主要是意识上的差距,设备可以采购、技术可以学习,但对于科研教学认真务实的态度才是我们最需要提升的。

   (三)参观的密西根州立大学几个重点实验室,其科研经费近80%用于人工,包括研究生工资和研究人员培训,先进的设备需要高水平的人员使用,研究方案需要高水平的人员落实。

   (四)汽车工业中发动机的研发我国落后于国际先进水平,再跟着做也很难超越。经学习交流认为,与燃料电池、新材料壳体、高效电机技术相结合的电动汽车是未来我国在汽车工业上站到国际前沿的发展方向。

   (五)国外先进大学在各级管理和校园建设上到处体现了细节的精致和用心。

    四、工作/政策建议

   (一)建议选派更多有发展潜力的教师走出去,交流学习是快速提高水平开阔眼界的有效途径,可以到国外,也可以到国内的知名大学交流学习。

   (二)建议完善和改进研究型实验室的管理机制,让懂的人用,让用的人管。

   (三)建议改进科研经费的分配模式,走出重硬件购置,轻人员培养的误区。

   (四)建议开展高端电动汽车技术的研究与开发。

   (五)教师业绩评定中应建立对认真务实的导向,反对投机与浮躁,才能出高水平、有价值的成果。