实现机械结构的轻量化，不仅可降低产品成本，而且可减小装备总装机功率，改变驱动形式，提高作业效率和操作性能，因此结构轻量化技术已成为我国机械产品技术创新升级的关键，是机械产品向高端化发展必须突破的关键技术瓶颈。自 2005 年起，项目组以实现轻量化机械结构，从而进一步实现机械产品升级换代为目标，开展了机械结构轻量化设计的关键技术攻关。在国家和省部级多个项目的支持下，通过校企深度合作研究，发明了多项机械结构轻量化设计关键技术，并在实现结构轻量化的基础上，发明了典型机械产品关键零部件的多项创新技术，最终集

通常达到机械轻量化的主要途径有两种：一是改进机械本身使用的材料，二是采用先进设计手段，使机械结构更加合理。采用新型材料由于制造成本、加工工艺、环保等方面的问题，新材料很难用于一般机械上，而通过结构优化在保证满足性能要求的前提下，实现轻量化却更具有实际意义。

纤维缠绕复合材料压力容器（COPVs）由于其具备轻质高强和先漏后爆（LBB）等特性，在航空航天、石油化工以及移动汽车等领域已经得到了应用，但由于现有制备工艺复杂、成本高，特别是承压能力不足的特点，限制了其大规模推广应用。

常温液态金属通常是指一大类熔点接近室温的低熔点金属。与传统认知中的金属不同，此类物质通常情况下呈液态，既具有液体良好的流动性，又拥有金属材料优异的导电性与导热性，且易于通过温度调控使其在固液相之间快速切换，即表现出刚柔相济的特点。由于这些因素，液态金属在柔性电子、3D打印、芯片冷却、生物医学以及可变形机器人等领域得到了日益增长的应用。然而，常规的液态金属材料自身密度通常很高，这会给由此制成的器件与装备平添额外重量，造成相应能量消耗，也削弱了使用的灵活性。为改变上述现状，刘静课题组提出了旨在制造轻质液态金属的基本思想，他们特别以共晶镓铟合金及中空玻璃微珠为典型代表（图2），制备出了密度仅为水的一半以至可漂浮于水面的轻量化液态金属复合材料（图3）。这种材料除保留了纯液态金属良好的导电性、导热性、力学强度及固液相变特性（图4）外，还拥有可塑性、可变形性乃至磁性等行为，作者们为此设计了系列平面及三维应用场景，并引入不同封装方式实现了对材料漂浮行为的调控，展示了水面电路及水中机器人的潜在应用。图2. 典型轻量化液态金属复合物微观结构的SEM与EDS图图3. 基于液态金属-中空玻璃微珠制成的轻量化复合材料及对应密度图4. 基于GaIn与玻璃微珠的轻量化液态金属复合材料的力学与温度断裂行为轻质液态金属物质概念的提出具有基础科学意义和普适应用价值，由此开启了一条研制新型液态金属功能材料的基本途径。原则上，结合各类液态金属与对应的轻质改性物质，可赋予终端材料更多目标功能，从而能以一种材料形式同时将许多尖端材料的功能如电、磁、声、光、热、力学、流体、化学等集于一体，这是已有材料体系不易具备的，因而在许多场合十分有用，比如作为印刷电子墨水、3D打印材料、可注射金属骨骼与牙科修复、血管栓塞及造影剂、水中机械电子设备、刚柔相济型可穿戴外骨骼以及可变形柔性机器人等。此项研究中，论文第一作者为清华大学医学院生物医学工程系博士生袁博，通讯作者为清华大学医学院生物医学工程系教授刘静。相应研究得到国家自然科学基金重点项目及中科院前沿项目的资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910709

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）

本项目在轻量化环保热塑性复合材料开发及应用，智能材料开发与应用，结构设计及分析等方面进行深入研究，已完成前端模块、座椅骨架、SUV尾门、保险杠、复材弹簧的开发。在材料、工艺、载荷方面取得了较大突破。 本项目团队来自北航交通科学与工程学院，团队成员包括孙凌玉教授、康宁副教授、李立军讲师、郭春杰高工以及团队中多位博士、硕士生。团队主要研究方向为复材结构设计与仿真、智能材料及失效诊断、优化设计与工艺仿真、连接建模仿真与实验等。

本项目在轻量化环保热塑性复合材料开发及应用，智能材料开发与应用，结构设计及分析等方面进行深入研究，已完成前端模块、座椅骨架、SUV尾门、保险杠、复材弹簧的开发。在材料、工艺、载荷方面取得了较大突破。 本项目团队来自北航交通科学与工程学院，团队成员包括孙凌玉教授、康宁副教授、李立军讲师、郭春杰高工以及团队中多位博士、硕士生。团队主要研究方向为复材结构设计与仿真、智能材料及失效诊断、优化设计与工艺仿真、连接建模仿真与实验等。

1、国内优质聚丙烯汽车专用料价格是1.8万元/吨，我公司专用料价格是1.5万元/吨 2、我公司专用料流动性提高15%，即提高产能，降低单位能耗。 客户将原材料改为本公司提供的新型聚丙烯基汽车专用料，客户只需在现有生产设备下，调整加工工艺，缩短产品成型时间即可，因此几乎不存在转换成本。

项目成果/简介: 该项目通过铝合金压铸、铝/钢复合压铸、伺服电机高效相变热控等方法，实现机械臂、减速机与伺服电机等工业机器人成套的变革性轻量化技术突破；研发高性能控制系统，实现具有动力学特征的智能运动控制关键技术；项目采用制造工艺及控制系统自主开发，高度可控，将降低工业机器人的应用成本，提升我国工业机器人产业的整体技术水平及产业竞争力。 在前期研究中已获得工业机器人关键部件相关专利授权20余项，获得广东省科技计划多个项目支持及国家重点研发计划“智能机器人专项”立项：工业机器人整机性能提升与验证，并已建成广东省功能结构与器件智能制造工程实验室、广东省节能与新能源绿色制造工程技术研究中心等平台。 该项目具有低成本轻量化特征的核心部件及其规模制造技术；具有动力学特征的智能运动控制关键技术。在广东省两项重大战略专项支持下，已成功开发出精密RV减速机、相变热控伺服电机、仿生轻量化机械臂等产品。自主研发减速机核心零部件自主设计并组装的轻量化机器人整机知识产权类型:发明专利技术先进程度:达到国内领先水平成果获得方式:独立研究获得政府支持情况:无

该项目通过铝合金压铸、铝/钢复合压铸、伺服电机高效相变热控等方法，实现机械臂、减速机与伺服电机等工业机器人成套的变革性轻量化技术突破；研发高性能控制系统，实现具有动力学特征的智能运动控制关键技术；项目采用制造工艺及控制系统自主开发，高度可控，将降低工业机器人的应用成本，提升我国工业机器人产业的整体技术水平及产业竞争力。 在前期研究中已获得工业机器人关键部件相关专利授权20余项，获得广东省科技计划多个项目支持及国家重点研发计划“智能机器人专项”立项：工业机器人整机性能提升与验证，并已建成广东省功能结构与器件智能制造工程实验室、广东省节能与新能源绿色制造工程技术研究中心等平台。 该项目具有低成本轻量化特征的核心部件及其规模制造技术；具有动力学特征的智能运动控制关键技术。在广东省两项重大战略专项支持下，已成功开发出精密RV减速机、相变热控伺服电机、仿生轻量化机械臂等产品。 自主研发减速机核心零部件 自主设计并组装的轻量化机器人整机