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中心简介

       智能制造是将制造技术与数字技术、智能技术、网络技术的集成应用于设计、生产、管理和服务的全生命周期,在制造过程中进行感知、分析、推理、决策与控制,实现产品需求的动态响应,新产品的迅速开发以及对生产和供应链网络实时优化的制造活动的总称。智能制造协同创新中心将引领该领域研究发展前沿,准确把握国内市场需求,牢固确立科研创新核心地位,提升科学研究水平,极力缩短成果转化周期,力争将该中心建设成为国内行业内知名研究机构。

       该中心重点关注数值模拟、增材制造、微纳加工、精密及超精密加工、智能装备等领域的研发与技术服务。共建单位包括:北京大学、清华大学、西安交通大学、大连理工大学、中科院半导体所、美国西北大学、密歇根大学、加州大学(伯克利)、商用飞机公司、商用发动机公司等。

       联系人:蔡瑾  宿鑫

       电话:010-60976585  60976586

       邮箱:caij@bici.org  sux@bici.org

管理团队

  

  段慧玲  学术主任

  北京大学理学博士, 长江学者特聘教授, 固体力学博士生导师;

  北京大学工学院力学与工程科学系系主任、兼固体力学学科点主任。




科研团队
姓名学历/职称专业
段慧玲
北京大学理学博士, 长江学者特聘教授, 固体力学博士生导师;北京大学工学院力学与工程科学系系主任、兼固体力学学科点主任北京大学科研部副部长(挂职),北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心副主任。美国机械工程师协会(ASME) 主办杂志Journal of Engineering Materials and Technology的副主编、Scientific Reports、Engineering Computations等多个SCI杂志的编委;中国力学学会理事,副秘书长。
张晨神经生物学博士,研究员/博士生导师(正高级职称)现任职于北京大学生命科学学院,为“神经网络和神经疾病实验室”实验室主任,生物膜与膜生物工程国家重点实验室学术带头人,中美共建麦戈文脑研究所研究员,中国生物物理学会理事,生物物学会理膜与细胞生物物理专业委员会委员,痴呆诊治转化医学研究北京市重点实验室学术委员会副主任。
张日葵博士/副研究员流体力学
李新章教授1975-1998年参与研制激光照排机和主持激光直接制版系统,获国家科技进步一等奖,获政府特殊津贴,获国家经委表彰。1998年主持医用CR系统中CR扫描仪研制,2004年经国家教委组织鉴定,至今该系统用户已遍布全国大部分省份。2014年初开始,主持探伤CR系统的研制,已完成原理样机。研究工作有3Cm微波吸收材料,He一Ne激光倍频(都有文章),三维激光扫描(有专利),激光照排机,激光直接制版,医用CR系统,工业探伤CR系统,都是国内首家完成。
周小计博士/教授/博导入选“教育部新世纪创新人才”。从事超冷原子相干物质波和精密测量实验和理论研究,在英国帝国理工大学、德国海德堡大学、意大利理论物理中心、新加坡国立大学、法国巴黎高师进行过访问和交流。发表SCI论文60篇,主持了4项自然科学面上基金和1项973子课题,参与了3项973项目,1项自然科学重点基金和1项重大基金。
现担任北京优立光太高技术有限公司(激光器产品)董事、市场总监,研发出高精度半导体激光器,技术上达到国际先进水平,取得良好市场业绩。


主要项目及成果

       1、通用流体分析软件BXCFD/FloWINGs

       动力学仿真软件,借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解,以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的,即在电脑中借助动力学软件用数学方法求解物理问题。包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术,已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域,成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台。

       研发团队在多年基础研究和应用研究工作积累的基础上,开发了具有完全自主知识产权的商用流体动力学(CFD)数值仿真软件FloWINGs。该CFD软件以有限体积法为基础,在吸收现有商用CFD软件技术的同时,进一步嵌入了多项由北大科研团队独立发展的核心技术,包括:约束大涡模拟方法(CLES)、嵌套网格以及高精度算法。这些核心技术都是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果,可以显著提升CFD软件的计算精度和数值可靠性,特别是可大幅提高复杂湍流分离流的模拟精度。上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助,并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、国防、汽车、新能源等应用领域。

       同时,项目团队今年联手德国INTES,将高端有限元软件PERMAS引入中国。PERMAS作为当前世界范围内最先进的有限元软件系统之一,源于第一个现代有限元程序ASKA。PERMAS具有优异的接触非线性、流固耦合、动态优化及快速计算性能,支持大规模并行计算,能在各种硬件平台和操作系统上高效进行静力学分析、动力学分析、热传导分析、热固耦合分析、形貌优化分析、噪声优化分析等有限元通用分析,可为工业中遇到的各类复杂力学问题,提供高效、优质、可靠的全方位专业解决方案。

       项目团队在以上软件技术的基础上,同时面向航空航天、兵器、船舶、车辆及轨道交通、能源以及海洋工程等重大装备制造产业,开展数值仿真软件二次开发与技术咨询服务。 

       2、水动力学数值仿真软件开发

       在船舶与海洋工程领域,数值仿真是开发新船型、研究相关水动力学问题的重要技术手段。目前国内相关研发设计机构、企业都大量采用国外商用CFD软件,如SHIPFLOW、FLUENT、CFX等。但由于船舶结构的复杂性及水-固(船体/海工平台)-气之间的多重耦合性,现有CFD软件在船舶与海洋工程领域的应用效果并不理想,船型及相关海工平台开发仍严重依赖于极其昂贵的水动力学试验(如各种拖曳水池)。

       我们将在项目团队已成功开发的单相不可压缩流动求解器的基础上,充分吸收北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室在湍流模型、多相流、自动数值优化等领域的最新科研成果,开发具有完全自主知识产权的水动力学数值仿真软件,并充分利用合作单位中国船舶与海洋工程设计研究院丰富的水动力学试验数据,来检验和校核该数值仿真软件的可靠性,特别是在兴波阻力、船体大范围分离流、水动噪声等关键技术问题上的数值准确性。本项目拟开发的水动力学数值仿真软件将首先在中国船舶与海洋工程设计研究院落地,并将面向国内外船舶与海洋工程领域进行应用推广和市场拓展。

       3、工业探伤X射线数字化成像系统

       在工业上,结构焊接和铸件成型后的X光检验已 经有多年历史,我国要求压力容器、高压输水、输 油、输气管道等设备,必须经X光检验合格后方可以 用,因此,工厂要保存大量的表征检查结果的X光胶 片留作证据。今年我国公布X光探伤的数字化技术标 准,即在工业探伤领域可以采用X光探伤数字化技术 设备。实现X光探伤数字化目前主要有两种技术:一 是利用X光图像增强CCD摄影;二是CR系统,即存 储X光影像的IP板(能重复使用),经过激光扫描读 出的影像显示在电脑屏幕上。业内人士认为,由于 存储X光影像的IP板可以弯曲,能对复杂形状的构件 和管道进行X光摄影,而且可以重复使用,影像经过 数字图像处理更清晰,不用洗胶片和保存胶片,改 善了工作条件,还节省了成本,应是工业探伤今后 的主要发展方向。

       本项目研发一种能量响应线性,性能稳定,可 弯曲,可重复使用的新型X射线影像存储屏(简称IP 板);同时研发将此影像存储屏上所存储的图像信 息读出并使之输出数字图像的高速激光扫描仪(简 称CR扫描仪);CR扫描仪和IP板(同时包括X射线 机)共同构成CRX射线数字成像系统。 特点: 1、改进荧光材料烧制工艺,提高晶体对X射线 能量的存储密度; 2、高分辨率激光扫描系统,分辨率由10LP/mm 提高到20LP/mm; 3、高信噪比的高速锁相放大器取代线性放大器; 4、系统控制和具有积分功能的高速数据采集; 5、探伤专用的工业探伤图像处理和数据管理专 家系统软件。

       4、多功能激光煤质快速分析仪

       本项目开发的是一种新型煤质检测设备,用以 取代传统各类低效繁多的国标化验仪器,特别适用 于煤炭生产、加工、销售企业和质检等单位的煤质 快速和在线检测,能够方便快速提供煤样的工业分 析指标(包括硫分、灰分、挥发分、发热量)以及 元素含量测定(如C、H、O、N、Si、Al、Fe、Ca 、Mg、K、Na、Ti等十多种元素),分析速度可提 高20倍以上、设备成本低至近一半及节省80%的人 力测试成本,而且可多元素多指标同时测量。 项目关键技术是激光诱导击穿光谱(LIBS)检 测技术。创新点有: 1、建立了煤的工业分析指标转化模型,研制了 煤质激光检测成套设备并在国际上首次实现了工业 化应用。 2、研制了具有清洁保护功能的激光光学系统, 实现了激光诱导击穿光谱的高灵敏检测。

       项目授权国家发明专利1项,发表相关精密测量 的SCI论文几十篇。目前已实现原理样机,就测量精 度和长期运行稳定性进行研发以实现项目产品化。 另外,本技术还可发展为面向冶金、珠宝文物 鉴定、勘矿、化工等领域的便携式、车载式、在线 式、遥测式等系列元素检测产品,市场前景广阔。

       5、超小型高分辨率显微镜研制

      高分辨显微镜系统是一类在科研和工业生产领 域被广泛使用的设备,以Olympus公司为例,近5年 在中国售出约2500套,销售收入超过5亿元,显示该 类系统的市场需求巨大。现有商业系统体积约为 0.1-0.2立方米、质量约为20千克,价格约为20万元; 本项目开发的系统,性能在与大型商用系统接近的 情况下,体积小于0.001立方米,质量小于0.1千克, 材料成本低于3万元,技术和成本优势显著。 本项目研制的超小型荧光明场显微成像系统针 对的是现有显微镜无法涉及的应用领域,譬如对显 微成像系统的重量和体积有严格限制的空天实验室 (用于替代现有的大体积、大重量的传统系统)、 现场海洋水质检查(如现场检测水中微生物)、生 物学行为认知实验(如测量实验动物脑细胞变化)、 医学检查(替代内窥镜等)、现场考古(观测文物 表面裂痕)、野外地质勘探(如玉石矿物侵浸程度)等科学研究,以及用于需要显微成像的工业产品和 大众产品。

       本系统是一个模块化的应用平台,核心 装置与不同模块的组合可以实现望远、内窥、监控 等功能,很大程度上可以取代传统高分辨率显微镜 系统。 本项目团队的前期工作是已经开发出低分辨率 的小型荧光明场显微成像系统原理样机,其技术参 数和美国Inscopix,Inc.的商用系统基本一致。该部分 研发工作得到了北京大学仪器创制与关键技术研发 基金的支持,并得到了初评和终评专家组的高度评 价。本项目的部分技术成果于2013年获得北京大学 第七届实验技术成果奖(一等奖)。本项目的部分 成果已经开始转化,得到了舟山、杭州和衢州等地 的创业项目的支持,正在进行落地的商谈中。

       6、石墨烯AFM纳米针尖的研发及应用

      扫描探针显微镜在科学领域内应用十分广泛, 其扫描针尖的寿命和性能对于该设备的使用具有决 定性的作用。该纳米针尖在使用一段时间后极易磨 损,提高其使用寿命和精度,降低设备的使用成本 是当前重要的工程问题,也具有工程意义。同时, 中国是世界上最大的纳米探针消费市场,具有大量 的纳米科学科研实验室和公司,开发高寿命高精度 纳米针尖的商业价值非常可观。本项目计划发展基 于石墨烯的纳米探针包裹技术,优化其制造过程并 形成完整的产业化标准,实验结果表明石墨烯纳米 探针表现出优异的稳定性,疏水性和压电性,并可 大幅提高纳米针尖的使用寿命和测量精度,因此具 有广阔的市场前景和商业价值。

       除了包覆纳米探针的新技术之外,后续项目组 也将在复杂结构器件涂层等领域进行多项技术的开 发。例如将使用二维材料制备高品质的先进打印材 料(墨水),使得该打印材料具有可控的粘度、表 面张力、密度等参数,同时开发相应设备,实现喷 墨打印技术的高效喷射。项目组将首先研发可用于 印刷电路的石墨烯墨水,并开发基于具有压电特性 的2D材料的打印墨水,利用压电特性开发可自供电 的印刷电路。另外,还会开发含石墨烯等二维材料 的打印材料,开发电喷射雾化针尖阵列的微制造技 术,加速缓慢的3D打印过程。随着3D打印技术的 广泛应用和在不同领域的潜在前景,本项技术的未 来市场将非常可观。