三维可视化技术与系统

姚卫浩

-/先进制造与自动化

三维可视化技术是通过高精度三维扫描技术与彩色摄像系统获取三维真实世界的图像与深度数据，并通过对不同视点所获取数据的无缝拼接来自动生成物体与场景的三维全景模型。目前北京大学视觉与听觉信息处理国家重点实验室拥有国际领先的系列三维数据采集设备和大规模三维数据处理、建模软件系统。

透平机械防爆减振铝蜂窝密封

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

透平机械防爆减振铝蜂窝密封是国家863计划的最新研究成果。蜂窝密封是一种高效的密封，可以减少泄漏、降低振动，在电力、石化行业核心机组密封装置中有广泛应用。目前普遍应用的是钢蜂窝，与高速转子碰磨时易产生火花，存在引发火灾甚至爆炸等恶性生产事故的隐患，不能应用在介质为易燃易爆的机组中，如天然气离心压缩机、裂解气离心压缩机和涡轮泵等。透平机械防爆减振铝蜂窝密封有效解决了上述问题，提高了转子稳定性，保障了易燃易爆机组的安全稳定运行。（1）材质选用铝合金，碰磨时不易产生摩擦火花，并且首先磨损自己，有效保护转子。（2）优化了铝蜂窝结构参数，使其具有优异的密封性能和转子动力特性，继承了传统钢蜂窝密封的优异结构特性。（3）采用全新的加工工艺和技术手段，解决了铝蜂窝加工的技术瓶颈，实现了铝蜂窝的工业化生产。目前，该技术已申请了发明专利“透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封”（200910243135.X）。该技术可以降低密封泄漏60%以上，提高机组效率和转子稳定性，增强机组安全性。适用于石化、电力行业旋转机械密封装置，特别适用于天然气离心压缩机、裂解气离心压缩机，富气压缩机和涡轮泵等工作介质为易燃易爆的机组。在“十二五”期间国家大力发展石化产业的大背景下，以压缩机、汽轮机等为核心的大型石化装备市场不断扩大。透平机械防爆减振铝蜂窝密封立足于解决旋转机械密封泄漏问题，其市场需求大，市场前景广阔，具有广泛的社会经济效益。

长玻纤增强热塑性复合材料成套技术与装备

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

长玻纤增强热塑性复合材料是由热塑性树脂基体（聚丙烯或尼龙）和连续增强玻纤以及一些助剂组成，连续玻纤和树脂在浸渍机头内复合，浸渍，玻纤在增强复合材料中是连续的、平行的，玻纤和粒子长度相同，并很好地被塑料包覆浸渍，从而可制造出机械性能卓越的产品。整套生产设备包括单(双)螺杆挤出机一台，玻纤纱架、分纱器、十字浸渍机头、水槽、冷冻机、风机、牵引机、切粒机等设备。 以长玻纤增强聚丙烯颗粒为粒，玻纤含量为50%，主要技术指标如下：拉伸强度：135MPa，弯曲强度：195MPa，弯曲模量：11256MPa，简支梁缺口冲击强度：28KJ/m2；比重：1.12g/cm3。 长玻纤增强热塑性复合材料可广泛应用于家电、汽车工业、航天工业、石油化工行业、机电行业、电子电器行业等，具有广阔的市场空间和应用前景，是短纤维增强复合材料的有效替代品，也是复合材料发展的必然趋势。 以一条生产线为例，总投资约70万元，总电力不大于120KW，三班制操作人员需要6～9人，年产500吨长玻纤增强PP粒子，产品综合成本约为13800元/吨，市场销售价大约为18000～20000元/吨，年利润300万以上。

聚合物PVT在线测试方法及装置

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

高分子材料的PVT（压力-比容积-温度）关系特性数据是模塑成型制品精度控制的关键，也是长期制约我国塑料成型加工技术及装备由中低端向高端发展的主要瓶颈。此前，这类物性参数的分析测试技术与仪器，全球只有德国SWO、日本东洋精机和美国Gnomix这三家公司掌握，而且均为离线测试，与实际生产的工艺条件和材料塑化的热历程很难保持一致，造成CAE模拟分析预测结果误差较大。 该课题组深入研究并发明了高分子材料PVT关系特性参数在线测试方法及装置。该发明是利用注塑机作为测试平台，通过在模具内设置的温度和压力传感器获得压力P和温度T数据，利用创新研制的微变形量放大器获得比容积V的数据，实时采集模腔内试样或制品从高温、高压的熔体到常温常压的固体全过程的PVT数据，从而避免了原有离线测试与实际加工条件不一致的技术缺陷，还具有显微测量的独特功能，经过与国际领先的德国SWO公司PVT-100分析仪对比，本发明测试结果精度更高。以此测定了国内外主要树脂原料上千种改性塑料的PVT特性参数，创建了我国首个工程塑料PVT物性数据库。同时，在测得大量高精度的材料物性数据的基础上，研究得到了描述高分子材料PVT关系的修正Tait模型及其特征曲线，发表在本领域国际顶级刊物《PolymerTesting》，为塑料精密模具设计、成型装备控制和工艺优化奠定了更加坚实的科学基础，加快了塑料精密成型的技术进步，获2010年度中国石油和化学工业联合会技术发明二等奖。

宽幅异型胶片挤出成型装备

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

针对巨型工程轮胎成型加工装备和高性能轮胎设计制造的关键科学技术问题，该课题组与轮胎行业龙头企业合作，开展了先进制造工艺装备与轮胎性能CAE仿真的研究。为解决单胎承重达100吨，轮辋直径59-63英寸，轮胎外径3-4米的巨型工程子午线轮胎制造所需的宽幅胶片成型加工的装备技术难题，创新研制成功双L形模头无缝并联直接挤出成型宽幅胶片（幅宽≥2500mm，弹性体异型截面尺寸偏差≤0.1mm）的重大装备，替代窄幅拼接压延成型的传统工艺，提高了巨型轮胎的制造质量和生产效率。 山东时风集团自2008年12月开始利用该创新技术设备制造巨型工程子午胎，已大量出口到澳大利亚等发达国家，年创造经济效益20多亿元。同时，申请人长期致力于高分子材料成型加工CAE的研究，多次获得中国CAE年会优秀论文一等奖。特别在轮胎CAE方面，研究解决了轮胎有限元分析中复杂结构胎体的建模及多重非线性耦合分析的技术难题：采用特殊层单元描述轮胎的多层结构，在保证精度的同时大幅减少了单元数量，使材料、结构与接触大变形等多重非线性耦合的复杂问题得以快速求解；采用虚拟温差法解决了胎体帘线预应力加载的技术难题；从而形成了轮胎动态性能仿真、优化设计、虚拟制造和性能预测的成套先进技术，建立起模拟结果精度较高的“子午线轮胎动态仿真综合分析系统”，经北京市科委鉴定，达到国际先进水平（排名第一）。在产学研合作成果的基础上，由三角轮胎集团、北京化工大学和北京橡胶工业研究设计院联合申报的“轮胎设计与制造工艺国家工程实验室”于2011年9月获得国家发改委正式批准建设，杨卫民教授代表本校担任该国家工程实验室的副主任。 技术特点 研制成功宽幅异型胶片挤出成型装备，并开发轮胎性能仿真分析系统，使我国实现了全系列工程巨胎的自主制造。

连续玻纤增强聚丙烯片材复合蜂窝板材制备技术

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

连续纤维增强热塑性蜂窝夹层结构以其高强轻质、可回收利用等性能成为新型复合材料。采用模压成型工艺，制备连续玻纤混编纱层合片材复合蜂窝板、连续玻纤单向片材复合蜂窝板及连续玻纤交叉片材复合蜂窝板，通过对热压温度、热压压力、保压时间的分析研究，确定优选的成型工艺。纤维增强热塑性聚合物片材分为:短切纤维片材、长切纤维片材及连续纤维片材三种。由于连续纤维片材中纤维贯穿整个制品，其力学性能明显高于前两种材料。热塑性蜂窝夹层的制备工艺主要分为模压成型及钢带热压成型。本技术采用实验室自制三种连续玻璃纤维增强聚丙烯层合片材(连续玻纤混编纱层合片材，连续玻纤单向层合片材，连续玻纤交叉层合片材)为面板，以圆形聚丙烯蜂窝为芯层，通过模压成型制备连续玻璃纤维(GF)增强聚丙烯(PP)层合片材复合蜂窝板材，分析研究热压工艺、面板结构参数及蜂窝芯结构参数(壁厚、孔径)对夹层板材性能的影响。

高效节能涡流空气分级机

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

机械粉碎方法目前仍是制备超细粉体的一种最主要的方法，机械粉碎法制备的粉体粒度分布范围宽，能耗高，不能满足特定和高档产品生产需要，产品附加值低；超细分级设备与超细粉碎机配套使用，及时将符合要求的细粒产品分选出来，可以防止产品过度粉碎，提高粉碎效率和降低能耗。分级机是建材、矿物加工、化工、热能工程、食品、医药等行业粉体制备系统中最为重要的设备之一。该成果的技术特点和优势是全面改进各分级功能区结构，分级效率和分级精度高，产品细度调节范围大。技术指标是根据物料性质不同分级后的产品粒度为10μm-100μm。应用范围是建材、磨料、矿物加工、化工、精细陶瓷、电子元件、耐火材料、精细化工、粮食加工、环保（如各种固体废物处理厂）、食品、医药、涂料等行业机械法干法制备粉体制备系统。投资条件及效益分析是比传统涡流空气分级机节能30%。技术成熟程度：已完成半工业试验。日处理1吨粉体物料的窄级别多段涡流空气分级机分级系统在某公司用于分级氧化铝粉体，分级后得到的氧化铝产品粒度-10μm占98%。

大型聚合物制品3D打印成型成套技术

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

本技术开发了大型聚合物制品3D打印成型成套技术装备，用于生产制造金属铸造行业木模的替代品。项目主要技术参数如下：打印尺寸：X向和Y向根据甲方提供的XY工作平台的工作参数确定，Z向打印高度为1m；打印精度：1~10mm，可调节；打印头产量：20kg/h；打印速度：根据甲方提供的XY运动平台的可移动速度确定；打印制品能在80℃下工作18小时以上，机械性能要求满足铸造造型时的使用工况要求。根据3D打印成型对聚合物熔体的性能要求和金属铸造木模的使用工况条件，改性开发适合于3D打印成型的聚合物及其复合材料，要求制品成型后具有一定的强度和耐磨性，以满足金属铸造造型时的使用要求。设备机械系统研发：设备机械系统研发主要包括三大功能部分：打印头、界面强化装置和运动平台。打印头主要用来实现物料的输送、熔融和稳定输出；界面强化装置主要用来强化熔丝之间的界面作用；运动平台要求实现X向、Y向和Z向精确位置运动。控制系统研发：开发3D打印成型设备的控制系统，要求能实现运动平台、打印头和界面强化装置的协同平稳工作，并能进行工艺设定与调节。成型工艺研究：基于聚合物成型时的流变特性、PVT特性和传热特性，研究打印头稳定挤出控制机理、大型制品打印时的传热特性和翘曲收缩规律及其控制机理，探索不同材料种类的3D打印成型时最佳的成型工艺条件。

HAZOP与非正常工况自愈调控方法

马丽敏

北京化工大学/先进制造与自动化

非正常工况自愈调控系统，化工过程非正常工况自愈调控ASSR用于研究化工过程特别是高风险化工过程的人－机－过程－环境复杂系统非正常工况演变成事故的发生、发展及其防治、根除的规律；探讨在联锁停车或发生事故之前的非正常工况下，如何使用实时监测诊断，预测，并通过智能决策和主动控制等手段，使系统自行恢复到正常工况。 HAZOP分析方法研究，HAZOP（HazardandOperabilitystudy）是由专家小组辨识过程中所有的潜在危险，并分析导致危险的非正常原因和造成的不利后果，提出防范建议和措施的过程危险分析方法。该方法涉及人、工艺、设备、仪表、控制、环境等多个方面，目的是确定化工生产中工程设计和装置运行存在的危险及操作问题。 危险与可操作性分析软件:本中心拥有过程危险分析安全评价软件，自主研发了具有独立知识产权的基于符号有向图(SDG，SignedDirectedGraph)深层知识模型的计算机辅助HAZOP分析软件（SDG-HAZOP）和人工误操作危险与可操作性分析系统（MO-HAZOP）。 化工爆炸事故原因分类及爆炸事故分析系统:本系统从物料、设备、工艺、人为因素和外部环境等方面对化工过程中的爆炸事故进行了分类，共分五类46种；从设备、介质、操作和控制和外界影响四方面分析了引发爆炸一次原因，共65个影响因素。可以从“由事故找原因”和“由影响因素避免事故”正反两向进行推理，辨识化工过程中存在的潜在危险。 因特摩实时智能监控和事故预报防范系统:因特摩技术主要用于智能监控和事故预报，它可以和国内外各种DCS连接，获取在线的实时数据；通过实时在线计算，得到过程中非可监测变量是因特摩系统的一大优势；利用系统内部语言KBL语言，结合现有知识、专家经验，编译事故预警的判断规则；一旦触发规则，则会通过正、反向推理给出事故的成因、不利后果，并相应的给出消除危险事故的建议和措施。