仿生表面织构起源 传统摩擦学认为光滑表面具有较低摩擦力和磨损，反之，非光滑表面会带来较大的摩擦力和磨损。而自然界进化过程中，某些生物的表面微观结构具有优异的自润滑和抗磨减磨性能，如鲨鱼皮表面微沟槽表现的超低流体阻力，穿山甲表面微结构的优异耐磨抗磨性能。因此，如能掌握其机理，则可进行工业应用。 钻头轴承及压裂泵柱塞密封系统仿生织构润滑减磨设计及应用 织构化钻头轴承 钻头作为破碎岩石形成井眼的重要工具之一，在高温高压、冲击动载及贫脂润滑的恶劣环境下，其核心部件钻头滑动轴承易发生黏着磨损从而最终导致钻头整体失效破坏，亟需降耗增寿的新技术来为其安全、可靠使用和延寿经济运行保驾护航。 发明了基于多物理场耦合的超快激光精准高效制备的冰霜辅助超快激光刻蚀分束技术（US17026096，ZL202011229792.1），形成了钻头轴承轴径曲面仿生织构的纳秒/皮秒的激光加工与表征评价方法；目前正在与中国科学院上海光学精密机械研究所和中石化江钻石油机械有限公司开展钻头轴承织构工业化的超快激光加工与质量检测流水线建设和现场应用研究测试，可满足织构化钻头2000支的年产量需求。 建立了织构钻头轴承润滑减磨性能优化设计的理论研究与实验测试评价方法(ZL201310416270.6，ZL201710973537.X，.ZL201810946598.1）。以摩擦系数、磨损量、油膜厚度、温升和无量纲承载能力等为评价指标，基于理论研究、单元实验和全尺寸的台架实验，模拟测试工况下初步优选的圆形、椭圆形、人字形沟槽织构可使钻头轴承减磨性能和寿命提升50%以上。 织构化柱塞密封系统 柱塞动密封系统是油气增产压裂作业实施中压裂泵装备的关键部件之一，其在超高压、冲击动载及交变往复运动工况下，压裂泵柱塞动密封系统易发生磨损失效而导致密封刺漏等失效，是制约压裂泵工作性能、可靠性和作业成本的关键因素， 亟需创新的设计方法来提升压裂泵柱塞动密封系统的寿命及可靠性。 发明了柱塞表面仿生织构大尺寸拼接刻蚀工艺规划及参数优化设计方法（ZL201910892024.5）， 创新研发了柱塞织构批量化激光分束加工的软件控制系统和配套夹具系统。 发明了表面织构化压裂泵柱塞及其动密封系统性能抗磨减磨性能优化设计的理论研究与试验测试评价方法(ZL201310423514.3)，基于理论模拟、单元及全尺寸台架实验，初步优选的圆形和椭圆形织构布置于压裂泵柱塞表面可实现柱塞动密封系统的摩擦系数和温升降低45%以上，寿命延长30%以上，目前正在与中石油第四石油机械有限公司和中油国家钻井装备工程技术研究中心有限公司开展现场应用试验测试。 未来应用前景及市场规模预测 该技术垂直应用领域为油气勘探开发装备、油气集输装备、通用机械装备的润滑、密封、抗冲蚀与减阻等领域，摩擦消耗了一次能源的1/3以上，80%的装备失效是由磨损引起的。两者造成的损失相当于GDP2%-7%，2019年我国的GDP为99万亿元，按5%计算约为4.95万亿元。

成果的背景及主要用途：预应力组合网架是组合网架与预应力技术相结合的一种新型组合结构，可以广泛应用于多、高层建筑的楼层结构与屋盖结构中,可 为城市改造、旧房的加层扩建提供一条新途径。 技术原理与工艺流程简介：预应力组合网架采用钢筋混凝土平板或带肋平板 代替一般的钢网架上弦杆，腹杆及下弦杆仍采用钢管结构，同时在下弦平面内设 置单向或双向预应力拉索，是板系、梁系与杆系协调受力的复杂结构。 技术水平及专利与获奖情况：获实用新型专利一项，已达到国际先进水平。 应用前景分析及效益预测：该项目的研制成功，可以为预应力组合网架结构 的设计施工提供可资参考的重要资料和推广应用所需的理论基础，为这类新型结 构的推广应用提供了重要的成功经验。 应用领域：多、高层建筑的楼层结构。 合作方式及条件：与设计院合作开发。 

JIFEX是中国具有自主版权的大型通用有限元分析和优化设计软件。它是在大连理工大学工程力学研究所研制多层子结构分析软件JIFEX、微机有限元分析软件DDJ—W、计算机辅助结构优化软件MCADS等基础上发展的集成化软件系统。1995年在全国自主版权CAD支撑软件评测中获得有限元软件唯一的一等奖。1997年获国家八五科技攻关重大科技成果奖。1998年被列为863/CIMS目标产品发展计划支持项目。 JIFEX具有Windows95环境下全新的图形交互式操作环境，是新一代的有限元分析与优化设计软件，具有自己特色的强大功能：方便灵活的有限元模型化功能，多层子结构方法，三维多体弹塑性接触分析，大型组合结构稳定性计算，多功能实用化的结构优化设计功能——特别是结构优化和动态性能优化 Windows95/NT下的图形交互与视算一体化环境，与AutoCAD集成的有限元建模及数据全自动生成，微机上的大规模计算能力——数万节点规模的大型结构强度分析和接触应力计算。

复杂结构在建设过程中，随着施工的进行，结构承受的荷载与设计情况大不相同，例如钢结构拼接尚未形成整体受力构件时，在荷载作用下会产生较大变形，需要辅以外部支撑系统参与受力问题；在结构完成后的拆撑过程中又存在不同的拆撑顺序会给结构带来不同的变形问题；不同结构体系在施工过程中存在的变形差问题；复杂钢结构安装顺序问题；整体吊装提升同步控制问题等。过去的施工方法往往凭借经验，缺乏理论指导，凭借经验施工带有一定的盲目性，甚至会在施工过程中出现风险状况，危及结构安全。教授团队借助计算机仿真技术，结合工程实际，先后开

能源和环境问题是社会健康和谐发展的永恒主题，多孔结构结构单元在这些领域的广泛应用将产生不可估量的经济和社会效益。与传统连续介质材料而言,多孔介质结构单元一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。由于其本身具有的独特性能，多孔介质结构单元已经在我们的日常生活和现代工业生产中得到广泛的应用，包括燃料电池材料、气体传感器、气体隔离器、粒子吸附材料、隔热材料、隔音材料、热交换器、生物反应器等等。 多孔介质结构单元内的单相/两相流动与传热现象在许多工程和科学领域中都有着广泛的研究，涉及包括农业技术，水利工程，生物工程，机械工程，石油化工工程及核动力安全等多个领域。本项目通过对多孔介质结构单元内的流动与传热效应及其特性进行实验和数值理论分析，研究多孔介质结构单元对其内流动传热的影响，改进和提高不同条件下特殊结构的多孔介质单元的使用效能；在此基础上，研发设计新型多孔介质结构单元，并分析其内流动和换热强化/弱化机理。本项目研究一方面是适应当前国内外工程热物理学科前沿研究需要，另一方面也为多孔介质结构单元的实际工程应用提供多种选择和优化设计。

双碳目标下，我国正逐步构建起以新能源为主体的新型电力系统。风电是其中关键一环，发挥着愈加重要的作用。随着风电机组的高度变高，以节省成本为目的进行结构轻量化设计是当前风电发展的必然方向。其中海工基础与风电机组由于设计分工不同，国内一直沿用传统的分离式设计，在塔架底部进行数据交互与迭代设计，导致投资占比增高，设计方法冗余度大，建设阶段成本浪费。如何解决分离式设计的弊端，开发更高效的一体化轻量化设计方法是破局痛点的关键所在。 针对钢制塔筒结构，开展失效型式分析，考察不同参数对钢筒性能的影响；针对海上风电机组基础结构成本高、材料浪费严重的问题，以NREL 5MW海上风电机组的三脚架和导管架基础结构为例开展拓扑优化轻量化设计研究，最终实现结构轻量化设计，得到性能更优，质量更轻的海上风电机组基础结构。 创新点 针对钢制塔筒结构，开展了各类失效型式分析，并考察了设计参数对结果的影响，形成一套钢制塔筒轻量化设计方法。 以5MW海上风电机组模型作为参考模型，将拓扑优化方法引入海上风电机组三脚架和导管架支撑结构的轻量化设计，并进行模态分析、刚强度计算，得到一套在概念设计阶段、考虑结构－载荷耦合效应下海上风电机组三脚架和多导管架的拓扑优化设计及仿真流程。 市场前景 在目前陆上、海上风电机组大型化的趋势下，结构的安全设计、轻量化设计将会成为制约行业发展的一个重要难题，而将拓扑优化及有限元仿真引入风电机组结构设计中可有效解决此类问题。 应用案例 航天万源2MW直驱风电机组塔筒，减重10tons； 5MW海上风电机组三脚架支撑结构，减重276.54tons; NREL 5MW海上风电机组导管架支撑结构，最大位移减少14.89%、最大等效应力减小26.66%。 获奖情况 张承婉、杨晓宇、陈卓；指导教师：龙凯，一带一路暨金砖国家技能发展与创新技术大赛－工程仿真创新设计赛项（研究生组），团体优秀奖 张承婉；指导教师：龙凯，第三届中国工业互联网大赛二等奖 丁文杰，本科生，2020年毕业，论文题目“塔筒法兰螺栓疲劳失效机理和法兰轻量化设计”，校级优秀论文 丁文杰、李泽阳、季元、张承婉；指导老师：廖海涛、龙凯，兆瓦级海上风力发电机组三脚架基础结构设计与强度校核分析APP，第三届中国工业互联网大赛，工业互联网+数字仿真专业赛二等奖 张承婉、陆飞宇、张锦华；指导老师：龙凯，中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛北京赛区一等奖 张锦华，指导老师：龙凯，海上风电机组多导管架的拓扑优化方法研究.2020年北京市普通高校优秀本科毕业设计（论文）

成果的背景及主要用途： 高效大跨度结构体系不仅关系到资源节约、施工便捷和效果美观,更是一个 国家建筑技术水平的重要标志。传统的梁板式结构用钢量大效能低、单层网壳稳 定性差支座水平推力大、单一网格结构难以实现轻盈美观,研发新型大跨体系成 为建筑结构技术发展的迫切需要。课题组在较早开展张拉整体体系研究的基础上, 从 1998 年开始对张弦结构大跨度建筑结构体系进行系统研究,形成了张弦结构分 析设计理论和施工成套技术,解决了张弦结构基础理论匮乏、分析方法欠缺和在 工程应用中受到结构选型、节点构造、施工方法和监测技术等多方面问题制约的 技术难题,为张弦结构的推广应用和健康发展提供了重要的科学依据和关键技术 支撑。 技术原理与工艺流程简介： 1、系统研究基于张拉整体思想的张弦结构体系，提出了发明专利-弦支筒壳 和弦支混凝土楼盖等新型张弦结构形式，建立了平面、空间等张弦结构分类体系， 研发自制设备空气加热索膨胀系数测定仪和水域加热索膨胀系数测定仪，测定了 张弦结构核心构件-拉索的膨胀系数，为张弦结构分析设计理论的建立奠定了基 础。 2、确定了平面和平面组合型张弦结构的最优构成规律，揭示了平面和平面 组合型张弦结构静动力特性和抗风性能，研发出专利技术—自平衡加载反力架并 试验验证了所提出的插板式拉索节点的安全性和便捷性，解决了平面及平面组合 型张弦结构分析计算和拉索连接节点方面的技术难题。 3、提出两种弦支穹顶分类方法和预应力二阶段分析方法，创建连续折线索 单元分析技术，建立了弦支穹顶从找形、预应力设定到结构性能分析的设计方法， 基于模型和实物试验及理论分析揭示了弦支穹顶结构静动力性能和稳定特性，研 发了空间张弦结构的节点专利技术—预应力钢结构滚动式张拉索节点，形成弦支 穹顶分析设计理论体系，解决了弦支穹顶应用中分析设计和节点构造的技术难题。 4、研发出张弦结构施工工艺仿真系统，提出了预应力施加方法和摩擦损失 补偿方法，开发了张弦结构健康监测系统，解决了张弦结构施工过程中的全过程 控制、监测、安全和预应力损失等方面的技术难题。提出了“地面整体拼装、一 次张拉外斜索成形”的施工方法，突破了大跨度索穹顶结构张拉成形的技术瓶颈。 技术水平及专利与获奖情况：天津大学科技成果选编 172 该项科研成果发表学术论文 72 篇（其中 SCI 检索 9 篇、EI 检索 27 篇）， 获发明专利 7 项，实用新型专利 8 项，获国家科学技术进步二等奖 1 项，天津和 北京市科技进步一等奖3项，省部级科技进步二等奖4项，达到了国际领先水平。 应用前景分析及效益预测： 本项目关键创新成果代表了现代大跨度结构技术的水平,引领了世界空间结 构技术的发展,提升了中国大跨度技术在世界工程领域的地位，增强了国际竞争 力，可应用于体育场馆、会展中心、交通枢纽站房等国家重要基础设施工程中。 项目发表论文 72 篇(9 篇 SCI、27 篇 EI),获发明专利 7 项,成果编入 10 本 著作和 6 本规程,推动了土木工程学科发展, 培养了一批高素质的结构工程科技 人才，对现代大跨结构的技术进步以及推动中国空间结构从大国向强国迈进都具 有重要的意义。 应用领域： 该项目科研成果已应用于包括奥运会场馆在内的近百项大跨度结构工程中， 可广泛应用于大型体育场馆、会展文化中心、重大交通枢纽、大型厂房等基础设 施工程中，可推广应用程度高，取得了巨大的经济效益，工程节支总额超过二亿 元，对我国大跨结构技术的发展具有显著推动作用。 

"2019年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）科学技术进步奖一等奖。项目组经过数年的研究，创新设计底盘驱动/制动、转向、悬架等系统的关键组件，构建了智能底盘多智能体动态协调控制架构，提出纵向、横向及垂向耦合集成与协同控制技术，形成以四项创新点为代表的技术群： 1、驱动/制动关键部件结构优化设计及车辆行驶敏捷性、稳定性协同控制技术。鉴于现有研究多聚焦于车辆驱动/制动系统独立控制且忽视内在耦合关系，割裂影响机理、系统结构及控制方法。从驱动/制动系统结构优化与方法设计两个方面，提出融合路面附着系数估计的车辆驱动防滑（ASR）、能量回馈型制动防抱死系统（ABS）及制动力精细调节技术、驱动/制动协同的车辆稳定性强鲁棒控制技术，解决车辆行驶敏捷性与稳定性控制所面临的参数摄动、控制时滞、多执行器耦合与冗余等难题。 2、车辆线控转向系统优化设计及转向操纵主动控制技术。针对转向系统存在的耦合摆振、结构参数时变不确定和线控时滞问题，项目组分别提出了考虑悬架与摆振问题耦合机理的车辆系统优化设计技术、减轻操纵负荷的前轮主动转向驾驶员共享控制技术和全电控四轮线控转向轨迹精确跟踪及横摆稳定性控制技术。

本发明提供了一种高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法，其包括以下步骤：步骤1：高速加工机床三维数字化建模；步骤2：高速加工机床主要热源发热功率和相关换热系数计算计算；步骤3：机床平面结合部热阻参数计算；步骤4：高速加工机床整机结构热力学建模与热特性计算；步骤5：高速加工机床整机结构热态设计方法。采用本发明提供的高速加工机床整机结构热力学设计方法，能够大幅提高高速加工机床整机结构热力学建模精度，缩短设计周期。不仅便于高速加工机床的正向设计，而且提高一次设计成功率。

土木建筑科学技术领域,提出了张弦（弦支）结构体系；建立了弦支穹顶结构成套分析设计理论；研发出滚动式和插板式拉索节点专利构造技术；形成了张弦结构体系智能化和可视化施工分析软件、健康监测系统、整体提升等成套施工技术。为张弦结构的推广应用和健康发展提供了重要的科学依据和关键的技术支撑，在国内外81项重大工程中得到应用，经济和社会效益显著。