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通常達到機械輕量化的主要途徑有兩種：一是改進機械本身使用的材料，二是采用先進設計手段，使機械結構更加合理。采用新型材料由于制造成本、加工工藝、環保等方面的問題，新材料很難用于一般機械上，而通過結構優化在保證滿足性能要求的前提下，實現輕量化卻更具有實際意義。

纖維纏繞復合材料壓力容器（COPVs）由于其具備輕質高強和先漏后爆（LBB）等特性，在航空航天、石油化工以及移動汽車等領域已經得到了應用，但由于現有制備工藝復雜、成本高，特別是承壓能力不足的特點，限制了其大規模推廣應用。

進入“十四五”以來，我國軍費穩定增長及加強實戰化訓練大背景下，航空航天軍工產業必將放量增長，軍工各產業鏈迎來了紅利期，行業景氣度持續上升，行業將迎來需求放量的黃金發展期，金屬蜂窩及其制品的應用場合多為航空航天軍工等國家戰略產業，關系到國家安全和高科技發展的大局，產品屬于多屬于高精尖特產品，附加值高，在軍民領域有較大的應用前景，市場處于爆發的前夜。金屬蜂窩產品具有最優的結構重量比，具有超輕、高強、隔音、隔熱、耐疲勞等優異特性。在航空發動機蜂窩封嚴、飛機機翼、導彈舵翼、衛星、裝甲車輛電磁屏蔽等軍用領域擁有重要應用，且在民用領域，如汽車、核電、高鐵、建筑、家居等領域擁有廣泛的應用前景。本項目成果為金屬焊接蜂窩輕量化制備技術及其應用。 本項目核心技術包括蜂窩芯體制備方法與工藝、蜂窩芯體空間曲面自適應加工、飛行器空間曲面蒙皮熱成型、復雜空間曲面結構真空釬焊、蜂窩封嚴自動化裝備、電磁屏蔽蒙皮設計和制備、無損檢測與可靠性評估等。核心產品包括航空發動機蜂窩封嚴（市場容量大、穩定增長）、航空飛機機翼等大部件（單品價值大且技術難度極高）、導彈舵翼類（市場容量大且技術難度大）、隔音降噪蜂窩結構、電磁蜂窩屏蔽結構等，以及高鐵、核電、汽車、建筑等民用蜂窩產品。

納米粘土是聚合物和涂料的理想填料，通常采用濕法介質攪拌磨研磨的方法制備。作為填料使用前，需要對納米粘土漿料進行干燥處理。由于納米粘土顆粒具有極高的表面積、表面能和表面活性，在干燥過程中易發生團聚，團聚體尺寸往往達數微米以上， 影響納米粘土的使用性能。該技術通過對納米粘土漿料干燥前脹化處理來解決上述問題，并與新型工業化干燥技術集成，緩解納米粘土在干燥過程中的團聚現象，配合干燥后改性處理技術，對納米粘土進一步解聚改性，還原干燥后粘土的納米顆粒特性，生產的產品可作為高端填料使用。 

1.痛點問題 在食品、醫藥、新能源、物流及3C等諸多行業，需要大量對產品進行高速揀選、理料和包裝的機器人。高速機器人已成為分揀和包裝領域中提高效率、降低成本和提升質量的核心裝備。國際機器人巨頭ABB和FANUC等引入并聯構型，憑借基礎零部件優勢，開發的Delta高速并聯機器人一直處于市場壟斷地位。國產機器人的高性能伺服驅動和減速器等依賴進口，面臨中低端鎖定的困局。 面向輕量化和智能化的發展趨勢、及日益復雜多樣的生產需求，剛性機器人在性能方面存在效率低、成本高、功耗高等亟待突破的瓶頸。 2.解決方案 本項目引入高性能索驅動技術，建立了剛柔融合構型創新設計方法，發明了一類具有高效率、低成本、低功耗和高精度特性的高速索驅動并聯機器人，實現了索驅動與剛性支鏈的并聯融合；建立了運動學和動力學性能評價指標體系，形成了從構型設計到性能匹配的一體化優化設計理論和方法，保證了機器人本體的優異性能；突破了軌跡規劃和精度保證等關鍵技術，研發了基于開放構架的高性能控制軟硬件平臺，形成系列化機器人裝備。 基于本項目技術可以建立系列化索驅動并聯機器人產品，突破剛性機器人面臨的瓶頸問題，極大降低裝備成本，推動國產機器人性能和市場占有率提升。 合作需求 1）市場對接：自動化系統集成公司、分揀碼垛需求迫切的大型企業集團； 2）資本對接：具有高端裝備和智能制造背景的投資機構，引導產業鏈整合； 3）技術合作：具備輕量化高速、超大空間重載、接觸力控制等工況需求的企業，可與本團隊合作攻關或共同申報、承接國家和省部級項目。

一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、技術分析 關鍵技術1：基于能源大數據的電網源流路徑電氣剖分技術 電力網絡源流路徑電氣剖分技術是一種基于系統確定運行方式下源流計算結果的網絡分析方法。利用電氣剖分方法，可以定量地求出任一線路上的源流具體是從系統中的何處、以何路徑傳輸而來。基于電氣剖分理論可以分析出實際電網源流耦合信息，并以此為依據制定相應的控制策略。 基于不同發電類型的發電廠碳排模型和不同時間斷面下的電網潮流分析數據，通過電力網絡源流路徑電氣剖分方法，可面向不同電壓等級區域電網，支持包含源網荷儲的配網模型導入，實現對電網中源荷資源碳流足跡的實時追蹤，基于電網的碳流追蹤技術可掌握電網碳流動態分布情況，通過對電網碳分布-電分布時空耦合影響機理的研究，可實現電網碳分布與電分布間交互影響的有效分析，最終掌握電網電碳分布情況、碳排流動情況以及碳排分攤比例，從而提升對不同區域電網內碳流的態勢感知能力，助力區域電網實現雙碳目標。 關鍵技術2：基于用戶側能碳因子的電力基因技術 電力基因技術，是對各種不同的電力特征數據進行采集分析，獲取系統基因組的準確畫像，利用人工智能、大數據分析等技術手段進行電力基因檢測和診斷，通過控制手段進行電力基因調控，從而挖掘出深度應用價值的技術。電力基因數據包含時間特征（天-時級、分-秒級、毫-微秒級）、空間特征（線路拓撲、節點分布及設備位置）和能量特征（電壓、電流、功率、頻率）信息，可以對一個研究對象進行電力基因數據提取，并建立基于電力基因數據的電路模型，開展多樣化定制化的電碳協同服務應用。 用戶的電碳因子可能受到多種因素的影響，包括用戶對用能設備的控制，如開關動作、調節指令等；用戶對系統和設備的運行方式的改變，如運行模式、調控策略等；用戶受到研究對象自然條件的影響，如溫度、濕度、臺風等；用戶受到電網或社會環境的影響，如政治、經濟、文化、科技、心理等因素。對供電大樓內不同部門不同班組的用戶進行精細的能碳畫像，有助于加強用能科學管理，強化用能監督，制定和實施低碳節能措施，為供電公司開展低碳節能技術改造和節能減排工作提供強有力的決策支持。

本項目基于薈萃分析的光源顏色品質量化方法研究（國家自然科學基金面上項目），團隊所提出的MCPI, CDM指標在量化光照顏色喜好與光照顏色分辨效果方面，經百余組國內外視覺實驗案例（本領域最大視覺樣本集）驗證，優于領域現有全部30余種光品質指標，相關技術處于國際領先水準且技術壁壘堅固。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、技術分析 截至目前，我國LED照明產業產值已逾萬億。在白光照明領域，長期以來國際業界均將顯色指數作為行業衡量光源光色品質的標準。然而，由于顯色指數的提出遠早于LED照明技術普及，導致此項陳舊指標在評價LED光源顯色效果時，存在著嚴重的與視覺不匹配的問題。為此，2015年，國際照明委員會發表官方聲明，對于顯色指數在衡量LED光源顯色效果方面存在的缺陷進行強調。隨后，2019年，該組織將“LED光源顯色性量化問題”設定為國際照明委員會全球戰略研究熱點問題，號召全球學者共同深入，共同推進白光LED光色效果量化技術發展。 本研究團隊長期致力于本領域的研究工作，目前承擔LED光色品質研究領域唯一國家級研究課題：基于薈萃分析的光源顏色品質量化方法研究（國家自然科學基金面上項目），團隊所提出的MCPI, CDM指標在量化光照顏色喜好與光照顏色分辨效果方面，經百余組國內外視覺實驗案例（本領域最大視覺樣本集）驗證，優于領域現有全部30余種光品質指標，相關技術處于國際領先水準且技術壁壘堅固。 團隊負責人劉強副教授為武漢大學圖像傳播與印刷包裝研究中心副主任，顏色與圖像研究所所長、兼任國際照明委員會CIE-JTC 16 (D1/D8)技術工作組委員，國際照明委員會CIE-RF03技術工作組委員（該技術委員會為國際照明委員會針對LED光色問題專門設立的國際聯合研究組織），中國照明學會室內照明專業委員會委員，湖北省照明學會副秘書長等職，擁有豐富的光品質開發經驗。

針對垃圾滲濾液中的COD、BOD5及氨氮濃度較高，水質水量變化大，污染物種類繁多，可生化性差的問題，研究開發的垃圾滲濾液全量化處理工藝實現了零濃縮液排放，出水水質達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)，該工藝基本不受水質水量變化的影響，自動化程度高，投資成本和運行成本為目前普遍采用的膜處理工藝的1/3。該工藝已經在渭南垃圾滲濾液處理場進行中試，取得良好效果。該工藝技術申請國家專利2項，已授權1項。

列車高速運行狀態下鋼軌磨損和病害容易加劇，鋼軌病害修復是保證列車安全穩定運行重要內容。打磨車用于城市軌道修復存在以下問題：①需要多遍打磨，作業效率低；②產生大量火花，存在火災隱患；③產生大量粉塵，對運行設施及環境產生較大影響。鋼軌銑磨車是一種清潔、高效、高精度的新型鋼軌修復設備，采用銑刀盤以成型銑削方式去除鋼軌表面材料，消除鋼軌缺陷，改善平順性。一次銑削深度可達3mm，軌距角處可達5mm，一遍即可完成作業，作業速度可達2km/h。工作清潔，無火花、粉塵，鐵屑可收集，環境友好。修復精度高、維護成本低、線路適應性好，無須拆除護軌及信號裝置，適應地鐵小限界要求。應用：項目將形成鋼軌高效輕量化智能銑磨作業系統年產5臺（套）的生產能力，新增年產值4億元，技術性能達到或超過國外同類型產品水平，全面替代進口。

雙碳目標下，我國正逐步構建起以新能源為主體的新型電力系統。風電是其中關鍵一環，發揮著愈加重要的作用。隨著風電機組的高度變高，以節省成本為目的進行結構輕量化設計是當前風電發展的必然方向。其中海工基礎與風電機組由于設計分工不同，國內一直沿用傳統的分離式設計，在塔架底部進行數據交互與迭代設計，導致投資占比增高，設計方法冗余度大，建設階段成本浪費。如何解決分離式設計的弊端，開發更高效的一體化輕量化設計方法是破局痛點的關鍵所在。 針對鋼制塔筒結構，開展失效型式分析，考察不同參數對鋼筒性能的影響；針對海上風電機組基礎結構成本高、材料浪費嚴重的問題，以NREL 5MW海上風電機組的三腳架和導管架基礎結構為例開展拓撲優化輕量化設計研究，最終實現結構輕量化設計，得到性能更優，質量更輕的海上風電機組基礎結構。 創新點 針對鋼制塔筒結構，開展了各類失效型式分析，并考察了設計參數對結果的影響，形成一套鋼制塔筒輕量化設計方法。 以5MW海上風電機組模型作為參考模型，將拓撲優化方法引入海上風電機組三腳架和導管架支撐結構的輕量化設計，并進行模態分析、剛強度計算，得到一套在概念設計階段、考慮結構－載荷耦合效應下海上風電機組三腳架和多導管架的拓撲優化設計及仿真流程。 市場前景 在目前陸上、海上風電機組大型化的趨勢下，結構的安全設計、輕量化設計將會成為制約行業發展的一個重要難題，而將拓撲優化及有限元仿真引入風電機組結構設計中可有效解決此類問題。 應用案例 航天萬源2MW直驅風電機組塔筒，減重10tons； 5MW海上風電機組三腳架支撐結構，減重276.54tons; NREL 5MW海上風電機組導管架支撐結構，最大位移減少14.89%、最大等效應力減小26.66%。 獲獎情況 張承婉、楊曉宇、陳卓；指導教師：龍凱，一帶一路暨金磚國家技能發展與創新技術大賽－工程仿真創新設計賽項（研究生組），團體優秀獎 張承婉；指導教師：龍凱，第三屆中國工業互聯網大賽二等獎 丁文杰，本科生，2020年畢業，論文題目“塔筒法蘭螺栓疲勞失效機理和法蘭輕量化設計”，校級優秀論文 丁文杰、李澤陽、季元、張承婉；指導老師：廖海濤、龍凱，兆瓦級海上風力發電機組三腳架基礎結構設計與強度校核分析APP，第三屆中國工業互聯網大賽，工業互聯網+數字仿真專業賽二等獎 張承婉、陸飛宇、張錦華；指導老師：龍凱，中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽北京賽區一等獎 張錦華，指導老師：龍凱，海上風電機組多導管架的拓撲優化方法研究.2020年北京市普通高校優秀本科畢業設計（論文）