本发明属于结构优化技术领域，公开了一种面向多种微观结构的材料结构一体化构建方法，针对传统变密度法得到的连续变化的材料分布以及单元密度，基于后处理机制对材料区域进行划分与单元密度分组，实现对宏观结构内具有不同材料属性的区域进行定义与划分，实现对宏观结构内的多种微观结构进行定义；其次基于参数化水平集拓扑优化方法与均匀化理论建立材料结构一体化设计模型，即针对定义的多种微观结构与宏观结构进行一体化设计，实现宏观结构与多种微观结构并行化设计，在给定约束条件下，实现整体结构的性能达到最优。

1、主要技术内容、获奖情况 通过本项目的实施，掌握了百万等级超长叶片小余量数值模拟锻造及工艺优化技术、大型疏水槽空心叶片自动化焊接及变形控制技术、末级动叶片多阶静频测量及调频控制技术、末级动叶片进汽边防水蚀控制技术（硬化层深度可控的激光硬化技术和激光熔覆技术）、大型末级动叶精密机械加工控制技术、叶片产业化数字制造技术等关键技术，开发了满足重大工程需求的百万千瓦等级汽轮机系列长叶片，打破了国外大公司在该领域长期技术垄断，掌握了核心技术，提升高端长叶片品质，降低了百万等级机组制造成本，优化了产品工艺，加快实现百万千瓦等级机组的自主化和国际化进程，为推动我国电站装备制造行业及电力能源产业结构调整奠定了坚实的基础。 获奖情况：2015 年中国机械工业科技技术奖一等奖 2、成果的技术指标、创新性与先进性 （1）在国内采用超长叶片小余量数值模拟锻造及工艺优化技术，首次实现了世界最长的百万等级核电汽轮机 75 英寸（1905mm）叶片和百万超超临界汽轮机 60 英寸（1524mm）钛合金叶片研制。 （2）在国内采用激光硬化和激光熔覆技术，分别首次实现了国内最长的百万千瓦超超临界汽轮机 45 英寸（1146mm）末级动叶片和百万千瓦超超临界汽轮机 48 英寸（1220mm）末级动叶片进汽边防水蚀处理。 （3）在国内采用多阶静频测量及调频控制技术，使静频一次合格率提高到了 90%，首次实现了百万千瓦超超临界汽轮机 45 英寸（1146mm）叶片 1～6 阶静频测量及调频（柔性自由叶片）。 （4）在国内首次对 1 米以上超大空心叶片采用自动化焊接技术，研制成功了国内最长的百万千瓦超超临界汽轮机 41 英寸（1050mm）末级空心静叶片和百万千瓦核电汽轮机 51 英寸（1292mm）末级空心静叶片。 （5）通过采用信息化与工艺技术的集成，加快了在产业化中产品开发效率和质量，首次实现了产品开发过程中的锻造工艺的自动化设计、叶片型面数据的自动化测量分析、产品质量数据的自动化收集与分析。 3、技术成熟度 百万千瓦等级汽轮机长叶片关键制造技术已成熟应用于百万等级核电汽轮机 57 英寸（1448mm）末级动叶片、CAP1000 核电汽轮机 67 英寸（1710mm）末级动叶片、CAP1400 核电 71（1800mm）、72（1828mm）、75（1905mm）英寸末级动叶片、百万超超临界汽轮机 60 英寸（1524mm）钛合金叶片、百万千瓦超超临界汽轮机 48 英寸（1220mm）末级动叶片、百万超超临界汽轮机 45 英寸（1146mm）柔性自由末级动叶片和 41 英寸（1050mm）末级空心静叶、CPR1000 核电汽轮机 51英寸（1292mm）空心静叶片等一系列具有国际先进水平的长叶片研制中，并实现了产业化。 4、应用情况 江南大学和无锡透平叶片有限公司联合研制生产的百万千瓦等级汽轮机长叶片已批量经交付给东方汽轮机厂、上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、日本三菱日立、德国西门子等公司，百万等级核电叶片已通过用户和中广核的共同鉴定，无锡透平叶片有限公司因此列入中广核国内唯一的核电叶片供货商名单。目前产品已经分别成功运用在国内岭澳核电站二期、红沿河一期、北仓港电厂、华能玉环电厂等，经用户使用后反映良好。

混凝土构筑物在建设及生产使用中其表层、内部及接触带会产生各种变形、破坏及地质异常，严重影响混凝土体的安全使用。目前利用震波测试方法可对介质内部结构及异常进行探查与评价。相比较来说，震波探测方法较雷达测试方法抗干扰能力强，评价参数多样。本技术采用拟雷达式数据采集方式，通过改进震波单发单收装置为轮式连续滚动装置发收信号，实现对震波数据的速采、速显、速存，根据获得的连续剖面波场属性参数判断结构体内隐患状况。通过分析震波特征属性参数，结合波速、频率及波幅特征变化进行混凝土介质异常的位置识别与特征判定。

1 成果简介从上世纪 70 年代开始，纤维增强复合材料（ FRP）以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料，并逐渐被应用到广泛的工程实践中。轻质高强是 FRP材料最突出的特点。它的强度是钢材的 20~50 倍，但比重只为钢材的四分之一左右。其次，FRP 材料较其他传统材料相比，具有良好的耐腐蚀性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀。此外， FRP 材料还有透电磁波、绝缘、隔热和热涨系数小等诸多优点。如今，FRP 复合材料已列入七大重点发展战略性新兴产业之中的新材料领域，并且已在土木工程领域中的加固补强、维护防腐等诸多方面得到很好的应用。 从 1970 年代开始， FRP 就开始在诸如英国、美国和以色列等国家的桥梁建设中进行尝试应用。九十年代初， FRP 在桥梁建设的应用中不断增加，如美国，日本和瑞士等国。近年来，随着 FRP 在结构工程中被逐渐接受， FRP 在桥梁结构中的应用迅速发展，世界各地有各种结构形式的 FRP 桥梁相继建成，目前已经超过 100 座应用案例，主要集中在欧美、日本以及澳大利亚等国家。FRP 桥梁应用技术所带来的低投入和高回报的特点是外国政府企业近年来热衷于此项技术的根本原因，而 FRP 材料的以下优点也是促进其发展的源动力： （ 1） 预制件制造，架设成本低。因大量采用轻质的 FRP 拉挤成型构件，可大大缩短施工时间和架设与施工时对道路的要求，并为投资者在人力物力上节约大量开支。例如，亚特兰大桥 1 天；纽约州桥 36 小时；莫斯科人行桥 3 小时； Parsons 桥 4 小时。 （ 2） 优良的耐久性。 FRP 材料具有高耐腐蚀性，耐老化和耐疲劳等特征， FRP 桥梁拥有其他桥梁所不具备的超低维护费用，并且使用寿命较其他桥梁更长。因此桥梁的全寿命周期投资成本大大低于其他桥梁。 （ 3） 施工速度快，交通影响小。由于 FRP 桥梁架设速度快，施工周期短，如在国内交通压力较大的城市中使用，可大大降低因施工而造成的道路拥堵的时间，从而大大减少社会成本消耗和社会舆论压力。 （ 4） 资源可持续利用。由于 FRP 桥梁较其他桥梁资源消耗少，并且在生产和建设过程中能源消耗比普通钢材或混凝土少一倍以上，因而可大量降低温室气体排放和对资源的依赖性。从某种程度上讲， FRP 桥梁应用技术是一种符合国家经济建设需求的集节能减排和低资源依赖性技术于一体的高新技术产品。 虽然 FRP 的优点已得到工程研究和应用领域的认可，但第一代的 FRP 结构依然存在着诸多问题，比如高成本，脆性破坏模式，耐火性能差等。消除这些问题的一种有效方法就是将 FRP 材料与传统的建筑材料结合，比如混凝土、钢材。 2003 年前后，清华大学、北京玻璃钢研究设计院、中冶建筑研究总院等单位对高性能 FRP 桥梁开展了有关基础科学问题的研究和设计计算理论与方法的研究下，取得了一定的研究成果，如纤维缠绕桥面板、 FRP-混凝土组合桥面板、 FRP 桥索等。为了填补我国在 FRP 桥应用技术相关领域的空白，在国家科技部的大力支持下，清华大学土木工程系经过多年的理论分析和试验研究，对一系列全FRP 桥梁以及 FRP 组合桥梁体系应用前景进行了充分的论证，开发出一整套适合当前中国桥梁建设条件的 FRP 桥梁应用技术,并已完成两座示范性 FRP 人行桥应用工程。2 应用说明该技术可广泛应用于跨度不大于 50 米的桥梁，特别是在道路压力大的城市路段，交通不便的偏远地区，有高耐腐蚀需求的海岸工程和有特殊施工要求（如不能明火等）的地区等有着极好的投资回报。3 效益分析石家庄 FRP 桥梁应用技术示范桥： FRP #1 和#2 桥，见下图。工程预算略高于普通人行桥梁大约 10%，但在完工时，发现建造费用与普通钢混桥梁大体相当。原因在于预算中过高估算了 FRP 桥梁施工费用。如再将 FRP 桥梁超低维护费和使用寿命长等因素计算在内，FRP 桥梁有着远远超越其他桥梁的高性价比。  上图： 石家庄 1 号 FRP 桥                             上图： 石家庄 2 号 FRP 桥4 合作方式技术服务和技术转让。

成果与项目的背景及主要用途：统计资料表明，80-90%焊接结构断裂事故是由疲劳失效引起的，由于焊接接头的焊趾处的应力集中和残余拉伸应力作用，焊接接头疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。虽然结构按疲劳规范设计，仍然发生一些整体结构的过早疲劳失效，造成巨大的经济损失，甚至是人身伤亡事故。由于焊接接头焊趾是疲劳裂纹引发部位，如果对该部位实施适当的处理，使残余拉伸应力转变为压缩应力和减少应力集中，这将有利于延缓疲劳裂纹的产生，具有巨大的社会效益和经济效益。本项目是在国家自然科学基金的支持下完成的，从超声波冲击、相变应力应用、等离子喷涂等三方面提出了三种改善焊接结构疲劳性能的新技术，研制发明了相应的装置、焊接材料和喷涂技术。这些方法可以方便地应用到桥梁、采油平台、船舶、飞机、机车车辆、压力容器及管道等工况、野外施工和高空现场作业的场合，其应用前景是十分乐观。 技术原理与工艺流程简介： 1）超声冲击方法改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理为：通过超声波发生器将电网上的工频交流电转换成超声频的交流电，用以激励声学系统的换能器。换能器将电能转换成同样频率的机械振动，在机架所提供的一定压力作用下，将该超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以焊趾为中心的一定区域内焊接接头表面产生足够厚度的塑性变形层，从而达到改善接头几何外形，降低应力集中程度、调节其应力场沿厚度方向的分布状况，最终达到改善焊接接头疲劳强度的目的。 2）相变应力应用改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理：利用开发的相变应力焊接材料使焊缝金属冷却中产生的相变应力，抵消焊接残余拉伸应力并获得压缩应力，最终达到改善焊接接头疲劳强度的目的。 3）等离子喷涂改善焊接结构疲劳性能的基本工作原理：利用等离子在焊趾部位喷上结合性能良好的涂层材料来改善接头的应力集中状态，最终达到改善焊接接头疲劳强度的目的。技术水平及专利与获奖情况：整体研究达国际先进水平；已获国家发明专利3 项，在申请国家发明专利 5 项；2004 年度天津市自然科学一等奖，2002 年获教育部发明二等奖。 应用前景分析及效益预测：接头焊趾及焊跟部位是焊接结构承受疲劳载荷的薄弱环节，改善焊趾和焊根部位的疲劳性能将提高整个结构的疲劳性能。使用超声波冲击、相变应力及等离子喷涂等这些新技术可以大幅度地改善焊接结构的疲劳寿命，显著降低焊接结构破坏事故的发生几率, 进而节约焊接结构的用钢量和资金，增加焊接结构的安全裕度，防止因焊接结构发生意外疲劳破坏事故给国家和人民财产的经济损失，因此具有广阔的应用前景及产生巨大社会效益和经济效益的可能。 应用领域：可以应用到桥梁、采油平台、船舶、飞机、机车车辆、压力容器及管道、水轮机、火箭发动机、汽车制造等诸多领域。 

该成果基于快速组网的轨道交通建设的工程背景，从能量的角度来研究结构地震反应和损伤水平，采用多种软件平台建立轨道交通列车-无砟轨道-大跨斜拉桥系统计算模型，进行大量计算，分析断层地震效应对轨道交通桥梁系统动力响应及桥梁服役性能的影响。提出了适合高轨道交通桥梁隔震支座的计算方法，并给出定量化的计算公式。将数值分析与既有试验研究相验证对比，评估灾后桥梁服役性能与行车安全性之间的关系。

作为一种新型分布式驱动方式，轮毂电机驱动技术颠覆了汽车传动产业，使得轮毂电机驱动成为纯电动汽车领域的一个重要研究方向。与传统集中式驱动汽车相比，轮毂电机分布式驱动电动汽车具有传动效率高、车内空间布置灵活、轴荷分布合理、驱动/制动系统独立可控、底盘结构简化、行驶稳定性强、车辆噪声低、再生制动回收率高等特点。轮毂电机驱动电动汽车能够体现出节能、安全、环保的汽车设计理念，代表着未来电动汽车发展的重要方向。  

城市污泥含有大量的水分，并含有大量有机物、丰富的氮、磷等营养物、重金属以及各种致病微生物，污泥处理处置问题解决不好，可能造成大范围的二次污染问题。国家《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》要求福建省在12五期间新增干污泥处置规模高达14.4万吨/年。《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》（环境保护部2010年第26号公告）指出：“在有条件的地区，鼓励污泥作为低质燃料在火力发电厂焚烧炉、水泥窑或砖窑中混合焚烧”。污泥干化后在燃煤锅炉协同焚烧是一种因地制宜、节能减排的污泥无害化处置方式，在土地资源缺乏的地区具有较好的适用性。 本项目利用电厂排放的烟气余热和低品位蒸汽对含水率为80%的城市湿污泥进行干化处理（流化床干化技术）、干污泥投入锅炉进行焚烧，污泥能源资源回收利用发电、污泥焚烧产生的灰渣用于生产水泥，并对污泥焚烧的烟气进行净化处理，实现污泥的无害化和资源化处置。