研究所详细信息

抗疲劳制造研究所

【总体介绍】

抗疲劳制造科学技术研究所于2014年6月成立；其前身是2012年由河南省发展和改革委员会批复建设的抗疲劳制造技术河南省工程实验室。研究所目前拥有加工与表层改性中心、表征检测中心及疲劳试验中心，是集科研开发、技术服务于一体的科研单位。

研究所的战略定位是：通过构筑关键构件的表面变质层，以及研究表面变质层的形成规律、演化规律和控制规律，进行关键构件的抗疲劳制造科学技术全过程研究，带动机械制造从传统“精密、高效”到“精密、长寿命、高效”的革命，从根本上解决我国关键构件寿命短、可靠性差、结构重的问题，掀起一场由中国现在所处的成形制造到中国创造的抗疲劳制造的制造革命，使关键零部件的寿命发生量级的提升，推动中国装备制造业从低端向高端转型升级，最终带领中国机械制造步入抗疲劳制造新时代。

研究所汇聚郑州大学、郑州机械研究所等单位的优势学科资源，形成抗疲劳制造协同创新团队，团队首席科学家为中国工程院院士、金属材料科学家赵振业院士。抗疲劳制造已经形成了极限寿命设计与理论、表层超硬韧化体系、高能表层改性体系、抗疲劳精密机械加工理论与方法体系、无应力集中装配体系及表征与评价体系等构成的理论体系，现有研究人员23人，其中教授4人、副教授9人、讲师8人、实验师2人，学历层次、年龄结构合理。

研究所相继承担、参与并完成国家和部省级各种攻关、自然基金等项目100余项，其中，省部级项目40项，如高端装备关键零部件的极限寿命制造基础理论与方法、关键零部件抗疲劳数字制造研究、典型金属结构及产品的疲劳强度及寿命研究、大直径硬岩隧道掘进装备（TBM）关键技术研究及其应用、海洋平台T形管节点疲劳强度研究等。系统地开展了工程机械、通用机械、汽车、冶金、风电等结构及关键构件的疲劳强度、安全评价研究，提出了相关防断裂抗疲劳设计方法；抗疲劳制造科学与技术提升传动轴、齿轮、轴承等关键零部件的疲劳寿命，引领河南省乃至中国的机械制造学科发展，可以大大提升轨道交通、汽车、风电等变速箱的寿命，使河南省的高端机械装备迈入一个新台阶，具有重要的理论意义和工程应用价值。

新的征程上，抗疲劳制造科学技术研究所努力创建百川汇海、规范高效、民主和谐、环境优美、创新致远的知名研究所，为实现中国装备制造强国梦做出巨大的贡献！

【研究方向】

（1）关键零部件极限寿命设计与理论；

（2）表层超硬韧化体系及装备研究；

（3）高能表层改性体系及装备研究；

（4）抗疲劳精密机械加工理论与方法体系及装备研究；

（5）无应力集中装配体系及仪器研究；

（6）表征与评价体系及仪器与装备研究。

【现有学科平台】

抗疲劳制造技术河南省工程实验室

抗疲劳制造技术郑州市重点实验室

【成员介绍】（列出每个成员的简介，示例见后，单独放在后面，每人一页，有导师简介的更新一下即可，后期网站做成超级链接）

教授：赵明皞、王栋、张二亮、李大磊

副教授：徐广涛、王刚、李延民、 张银霞、 刘治华、贺占蜀、 何声馨、孙俊杰、陈中中

讲师：马泳涛、李阳、周洋、秦盛伟、李豪、邹云、闫志华、王晓洁

实验师：刘兰荣、牛鹏辉

【主要科研成果】（主要成果简介要有，可以图文并茂，后面也可罗列部分有代表性的成果）

一、重大项目介绍

项目一、国家自然科学基金重点项目

项目名称：高端装备关键零部件的极限寿命制造基础理论与方法

高端装备制造业是支撑国民经济和国家安全的脊梁。关键零部件是高端装备的核心，而国产关键零部件普遍存在着寿命短、可靠性差、结构重等“三大问题”，拖累中国处于中低端制造和竞争弱势。目前我国通用的“成形”制造是机械制造业不能升级转型的根本障碍。要实现从制造大国到制造强国的根本转变，必须淘汰“成形”制造，超越发达国家的表面完整性制造，创新以极限寿命为目标的抗疲劳制造。本项目拟解决：（1）混合水射流表面强化模型（2）磨削表层作用机理及磨削加工表面完整性预测模型（3）创立表面变质层机械性能测试理论与方法（4）揭示表面变质层的演化规律及抗疲劳机理（5）创立极限寿命制造基础理论与方法等关键科学问题。在表面变质层的构筑、表征、演化及揭示其抗疲劳机理进而指导其构筑等若干方面实现创新。预期建立混合水射流表层改性及高表面完整性磨削理论与方法；研制表层改性的装备、工艺及软件；建立表面变质层表征理论与方法；揭示表面变质层疲劳演化规律以及抗疲劳机理；创建极限寿命制造基础理论与方法。助力河南乃至中国的机械装备制造转型升级，实现跨越发展。

项目二、国家超级计算郑州中心创新生态系统建设科技专项

项目名称：关键零部件抗疲劳数字制造研究

高端装备制造业是一个国家的战略产业，是支撑国民经济和国家安全的脊梁，代表着一个国家科技进步水平和社会进步程度。抗疲劳数字制造技术可以模拟较为复杂的过程，对装备制造过程中的一些理论问题及工艺问题进行分析，提高机械装备制造的研发效率。

通过关键件的表层数字硬化、表层数字强化、精密磨削数字加工、无应力集中数字装配以及疲劳评价与反馈，集成抗疲劳数字制造系统，完善关键零部件抗疲劳制造理论基础，给出该理论指导下的抗疲劳数字制造工艺优化方法，实现齿轮箱的抗疲劳数字制造，最终使其疲劳寿命提高1~2个量级。

项目三、国家863项目子课题

项目名称：“大直径硬岩隧道掘进装备（TBM）”关键技术研究

项目简介：针对大直径硬岩隧道掘进装备（TBM）的迫切技术需求，开展了刀盘、机头架、主大梁、撑靴系统结构件等关键部件的焊接工艺和机加工工艺研究，并制定了相应的制造工艺规程；以及大直径19〞盘形滚刀材料和热处理工艺、大齿圈的寿命计算及参数优化等研究；形成了基于硬岩TBM的刀盘刀具等关键件的抗疲劳评定及延寿技术的新产品及新工艺。

项目四：2014年工业转型升级强基工程项目

项目名称：齿轮强度与可靠性试验检测技术基础公共服务平台

项目简介：公共服务平台建设了包括形貌/微观结构表征、力学性能检测、齿轮疲劳寿命评价、抗疲劳机械加工、表层改性等仪器设备及相关仿真分析计算软件等软硬件平台，并围绕齿轮等关键件的精密热处理、精密机械加工、表层改性、抗疲劳装配及变质层表征与疲劳评价进行基础研究，开展抗疲劳制造理论与方法研究，为实现齿轮的极限寿命制造提供平台与技术支撑。

二、代表性成果介绍

代表性成果1

基于前混合的五轴联动表层改性多功能实验台

基于前混合射流方式研发出了多功能改性实验台。该实验台以XYZ+AB轴的五轴联动结构为运动平台，可实现大流量范围、大压力范围、大混合比范围的表层改性喷射工艺，可对平板试样、圆棒试样以及复杂表面试样进行混合射流改性实验，能够在热处理后的硬质表面引入一定的残余应力场，以提高零件的抗疲劳性能。该实验台已应用到课题组的标准试样改性中，并授权发明专利2项。

发明专利证书

代表性成果2

机械件超声滚压加工表面完整性

搭建了超声滚压试验平台（图1），并采用该装置对工件表面进行了超声滚压加工，提高了工件表面质量。为揭示超声滚压加工工件表层残余应力及表面粗糙度形成机理，分别采用理论分析与试验相结合，仿真与试验相结合的方法分析研究了超声滚压加工后工件表层残余应力场的大小分布及工件表面粗糙度的大小。建立了不同形状系数下工件超声滚压加工残余应力解析计算方法，给出了轴类件超声滚压加工仿真计算模型。研究成果发表于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》，《Applied Mathematical Modelling》等期刊上。

图1超声滚压试验平台

图2弹性回弹对表面粗糙度的影响   图3椭圆接触下表层残余应力分布

代表性成果3

新型非手术脊柱定位周期牵引治疗系统

针对腰椎疾病患者较多，而国内外相关牵引治疗设备治疗效果不理想等不足，提出一种新的变角度、变牵引力的腰椎牵引治疗方法，并对其基本原理及实现方法进行深入研究，开发完成了新型腰椎定位周期牵引治疗系统样机（图1），实现了量产，获得了郑州市科技进步二等奖（图2）。

图1新型非手术脊柱定位周期牵引治疗系统     图2郑州市科技进步奖

代表性成果4

机械部件装配质量的检测方法

研究机械部件装配质量的检测方法，发现激光超声在装配结合面处的传播规律（图1-图2）；建立了拧紧力矩、过盈量与导波能量间的数学模型；提出了过盈装配质量和螺栓松动检测新的评价标准。研究成果发表于《Measurement》，《Smart Materials and Structures》等期刊上。

图1激光超声在搭接板中传播图像

图2激光超声在过盈装配结合面处的传播图像

代表性成果5

激光熔覆涂层弹性模量的激光超声无损检测方法

弹性模量是表征熔覆涂层力学性能的重要参数之一，而涂层的弹性模量分布并不均匀。为了表征激光熔覆涂层的弹性模量，提出了一种基于激光超声表面波技术的无损表征方法。该方法具有一定的工程应用价值，可为改善激光熔覆工艺提供技术支持。研究成果发表于《Optics & Laser Technology》，《激光与光电子学进展》等期刊上。

代表性成果6

基于超声纳米表面改性技术的高铁车轴用DZ2钢的抗疲劳制造

为了提升高铁车轴DZ2钢的表面完整性和耐磨性能，采用超声纳米表面改性（UNSM）方法，在DZ2钢表面制备了梯度纳米结构(GNS)表层。结果表明，DZ2钢的表面晶粒最小细化至16 nm，GNS的厚度随着处理次数的增加而增加，表面残余压应力最高可达-703 MPa，表面显微硬度增加至283 HV0.2，显著降低了摩擦系数。研究成果发表于《Surface and Coatings Technology》等期刊上。

代表性成果7

磨具磨料性能及高速磨削工艺参数研究

系统分析了陶瓷CBN磨具和树脂CBN磨具的耐磨性、洛氏硬度、抗折强度及磨具形貌等特性，并试验研究了超硬CBN砂轮高速磨削工艺参数对18CrNiMo7-6钢加工表面完整性的影响，给出了较优的磨削工艺参数。相关成果发表论文3篇（中国机械工程，金刚石与磨料磨具工程等），并申请授权专利2项。

砂轮线速度对18CrNiMo7-6钢残余应力的影响

超硬CBN磨具抗折强度及微观结构

代表性成果8

晶片等硬脆性材料的精密超精密加工工艺研究

系统研究了单晶硅片、多晶硅片及碳化硅单晶片等半导体、光电晶体材料的切割、研磨、磨削、抛光等精密超精密加工工艺，建立了系统的表面层损伤检测技术、压/划痕损伤模型及精密加工损伤层模型，揭示了硬脆晶体材料的材料去除机理及精密加工机理。相关成果发表SCI/EI收录论文10余篇（Key Engineering Material，Advanced Material Research，Rare Metals，半导体学报，光学精密工程，硅酸盐学报等）

单晶硅片精磨截面的HRTEM图像 SiC单晶片静载荷4N时不同划痕速度下的摩擦系数

代表性成果9

表面变质层机械性能表征检测理论与方法

抗疲劳制造的核心是表面变质层，准确表征其机械性能参数，有助于研究抗疲劳制造表面变质层的形成、演化及控制三大科学规律，提高关键构件的服役性能及疲劳寿命。提出了表面变质层机械性能的表征理论与测试方法，测试了经强韧化处理的表面变质层弹性模量等机械性能参数。为表面变质层机械性能的精确定量表征提供基础。相关研究成果发表在《International Journal of Mechanical Sciences》、《Mechanics of Materials》等国际期刊。

图1表面变质层不同深度的硬度

图2表面变质层不同深度的屈服强度

图3表面变质层不同深度的弹性模量

图4表面变质层不同深度的硬化指数

代表性成果10

齿轮钢疲劳断裂行为及疲劳裂纹扩展机理

证实了弯曲疲劳试验的“尺寸效应”和残余应力释放的“首循环”效应，阐释了疲劳裂纹扩展与微观组织的关联，微裂纹扩展遇到晶界会停止扩展或转动一定的角度，研究成果为进一步揭示合金钢的抗疲劳机理奠定了基础，为表面变质层的疲劳寿命设计提供了参考。相关研究成果发表于《Engineering Failure Analysis》、《Steel Research International》等国际期刊。

齿轮钢弯曲疲劳的“尺寸效应”

残余应力释放的“首循环”效应

疲劳裂纹扩展与微观组织的关联

代表性成果11

高表面完整性磨削/研磨工艺优化及其对疲劳寿命的影响研究

研究了高速平面磨削18CrNiMo7-6钢的最优工艺参数（如图1）；试样研磨后：

的轴向纹理试样比

的疲劳寿命提高3.11倍；

的轴向纹理试样比周向纹理试样的疲劳寿命提高2.32 倍（未经热处理）（如图2 a）。在加载应力为1184MPa时(热处理后)时，轴向纹理

的旋转弯曲疲劳寿命比周向纹理

的提升了 29.9倍（如图2 b）。研究成果取得多项专利及软著和发表论文于《表面技术》等期刊上。

图1 磨削工艺参数对工件表面完整性的影响

a)未经热处理 b）热处理后

图2三维表面粗糙度对工件疲劳寿命的影响

代表性成果12

采用混合射流在高硬度渗碳钢表层引入残余应力场

用常规方法在热处理后的高硬度渗碳钢表层引入一定深度和幅值的残余压应力场比较困难。本组采用高压混合射流的方法，通过控制压力、丸粒尺寸、覆盖率等作业参数，在高硬钢表层引入了较为合理的残余压应力场。研究成果发表在《International Journal of Surface Science and Engineering》和《Machining Science and Technology》等期刊上。

图1 改性前后的试样

图2 改性前后的残余应力场

代表性成果13

关键构件表层硬化

在关键构件表层引入渗碳硬化层，显著提高其疲劳性能；建立了渗碳热处理的全流程数值模拟模型，弥补了热处理试验周期长、成本高等不足（图1-2）。为关键构件的抗疲劳制造提供坚实基础。研究结果发表于《表面技术》、《郑州大学学报(工学版)》等杂志。

图1 不同渗层深度的碳含量实验和模拟结果对比

图2不同相变塑性系数对材料渗碳淬火后残余应力分布的影响

图3渗碳试样在200℃回火4h后的硬度实测值与模拟值对比

代表性成果

混合水射流表层改性的仿真分析

利用ABAQUS有限元软件分别建立了混合水射流单道顺序和多道顺序喷丸强化18CrNiMo7-6的三维有限元模型，在此基础上研究靶材的残余应力场和表面形貌变化，进一步深入分析了混合水射流顺序喷丸强化时靶材残余应力场的生成与耦合机理。

【研究所承担科研项目】-团队老师们提供自己主持的项目信息

国家级纵向项目：

省部级纵向项目：

横向项目：

【研究条件】（可罗列实验条件）

研究所具有进行精密加工试验研究所需要的各种仪器设备，包括数控车床、磨床及进口数控铣床和万能工具磨床等机加工设备，还有用于检测所需的三坐标测量机、三维形貌仪、超景深显微镜、残余应力及红外温度检测设备等。

【成员介绍】

【照片】

【联系方式】

邮箱：memhzhao@zzu.edu.cn, memhzhao@sina.com

【个人简介】

赵明皞，博士，教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家。郑州大学副校长，抗疲劳制造技术河南省工程实验室主任，抗疲劳制造研究所所长。担任Engineering Analysis with Boundary Elements、机械强度等学术期刊编委。

【研究方向】

(1) 机械装备关键零部件的疲劳、断裂及可靠性；（2）智能材料及结构在力-电-磁-热等耦合载荷作用下的断裂失效；（3）低维材料机械性能测试理论和方法。

【科研业绩】

负责和参加过30余项国家和有关部委的科技攻关项目和基金项目。获得10项成果奖，其中包括国家自然科学奖、国家机械工业局科技进步奖、中国高等学校科技进步奖等。发表150多篇SCI论文，被引用2400余次。

徐广涛 导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

邮箱：xgtzzu@zzu.edu.cn

【个人简介】

徐广涛，1983年生，工学博士（法国南特中央理工大学），副教授，硕士生导师，河南省高等学校青年骨干教师，抗疲劳制造研究所副所长。

【研究方向】

(1)抗疲劳制造技术；（2）表面变质层机械性能表征；(3)智能材料与结构的多场断裂研究；（4）工程计算方法研究。

【科研业绩】

主持及参与国家级、省部级科研项目10余项，在International Journal of Solids and Structures、International Journal of Mechanical Sciences、European Journal of Mechanics / A Solids、Applied Mathematical Modelling等期刊发表论文近30篇。授权专利及软件著作权8项。

刘治华导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

邮箱: liuzhihua@zzu.edu.cn

办公地点：实验楼312

【个人简介】

刘治华，1971年生，工学博士，副教授，研究生导师，巴黎萨克雷大学公派访问学者。

【研究方向】主要研究方向为抗疲劳制造、精密机械加工、机械装备制造技术等。

【科研业绩】

发表论文40多篇，其中SCI、EI收录20余篇；编写著作两部，授权专利10项。

王栋 导师简介个人主页（超链接）

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【联系方式】

邮箱: wangdong@zzu.edu.cn

电话: 15937172861

【个人简介】

王栋，男，1970年生，博士，教授，硕士生导师，河南省沁阳市人。

现任机械制造及其自动化学科党支部书记、中国机械工程学会生产工程分会（光整加工）委员；曾担任第三届中国机械工业教育协会机械设计制造及其自动化学科教学委员。教学上先后获得“河南省职业道德建设先进个人”等荣誉。

【研究方向】

应力集中部位抗疲劳纹理特征加工技术；

高表面完整性加工机理与方法的研究；

关键零件的表面完整性精密加工工艺及装备的研制。

【科研业绩】

作为主持人及技术负责人，先后完成国家科技部项目、国家863项目子课题、工信部强基项目、河南省重点科技攻关项目、上海市重点科技攻关项目7项；主持完成厅局级科研项目及横向项目等10余项。在国内外学术期刊及会议上发表文章80余篇，其中：SCI/EI/ISTP收录20余篇；出版教材3部；获国家发明专利10余项。作为主持人获得河南省科技进步三等奖1项（2014年）及河南省自然科学优秀学术论文一、二、三等奖共3项；作为主要完成人先后获得厅局级奖项5项；

秦盛伟 导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

邮箱qinsw@zzu.edu.cn，电话18137129321

【个人简介】

秦盛伟，男，博士，硕士生导师。2011年7月毕业于东北大学获得学士学位；2017年6月毕业于上海交通大学获博士学位。

【研究方向】

1.抗疲劳制造技术

2.材料的微观结构表征及力学性能研究

3.金属热处理

【科研业绩】

发表SCI、EI等论文十余篇，发明专利2项，承担国家自然科学基金、河南省科技攻关项目等项目。

张二亮 导师简介个人主页（超链接）

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【联系方式】

电子邮箱：erliang.zhang@zzu.edu.cn，手机：18503847806

【个人简介】

张二亮，1979年生，博士，教授，博士生导师。获得西北工业大学航空宇航工程学士、硕士学位，曾留学法国贡比涅科技大学和比利时布鲁塞尔自由大学（2006.09∽2012.12）。主要学术兼职：担任Automatica、MSSP、JSV等国际知名学术期刊的审稿人。

【研究方向】

机械系统的建模、辨识与控制、机械噪声的声学成像与控制、机器学习与人工智能在机械制造中的应用。

【科研业绩】

以第1或通讯作者发表SCI/EI论文20余篇，主持国家自然科学基金面上项目、联合基金等多项应用基础研究课题。

何声馨 导师简介个人主页（超链接）

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【联系方式】

电子邮箱： hsinshen.ho@zzu.edu.cn，手机：15225091952

【个人简介】

何声馨HO HSIN SHEN，1982年生，博士，硕士生导师。曾留学法国贡比涅科技大学和法国机械科学研究院（2002.09∽2012.12）。主要学术兼职：担任IJF、JMEP等国际知名学术期刊的审稿人。

【研究方向】

结构疲劳损伤的检测与统计建模、机械装备的剩余寿命预测。

【科研业绩】

以第1和通讯作者发表SCI/EI论文20余篇，主持国家自然科学基金等多项研究课题。

张银霞 导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

邮箱：zhangyinxia@zzu.edu.cn;zhangyinxia@126.com

电话：13938476369

【个人简介】

张银霞，女，1974年生，博士，副教授，硕士生导师，机械工程系副主任。2006年毕业于大连理工大学 “精密与特种加工教育部重点实验室”，获机械制造及其自动化专业工学博士学位。对机械装备关键零部件的抗疲劳精密加工理论、方法和技术，硅晶片、碳化硅晶片等半导体、光电晶体材料的切割、磨削、研磨、抛光等精密超精密加工技术及加工表面完整性检测与评价等有较深入的研究。

【研究方向】

精密与超精密加工技术，抗疲劳制造技术，难加工材料高效加工技术。

【科研业绩】

主持和参与国家级、省部级及厅局级项目20余项，其中：主持河南省自然科学基金项目、河南省重点科技攻关项目、中国博士后科学基金、河南省科技特派员等省部级科研项目及横向项目多项；参与国家自然科学基金项目、国家863计划项目及工信部工业强基项目等国家级项目多项；发表学术50余篇，其中：SCI/EI收录20余篇；合作出版专著和教材各1部；获授权发明及实用新型专利20余件；获河南省科技进步三等奖及厅局级奖项共10余项。

周洋 导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

邮箱：zhouyang@zzu.edu.cn

电话：15736733630

【个人简介】

周洋，男，博士，硕士生导师。2016年10月获得哈尔滨工业大学机械工程博士学位。2016年12月起就职于郑州大学机械与动力工程学院。

【研究方向】

1. 无应力集中装配技术

2. 深度学习

3．激光超声检测/微纳驱动

【科研业绩】

共发表SCI/EI论文13篇，先后主持河南省自然学基金项目1项，科技公关项目1项和教育厅项目1项。

王刚 导师简介个人主页（超链接）

【照片】

【联系方式】

联系方式：0371-67781231

通讯地址：河南省郑州市科学大道100号郑州大学机械与动力工程学院

邮编：450001

电子邮箱：wanggang@zzu.edu.cn

【个人简介】

王刚，博士，副教授，硕士生导师。2007年7月毕业于重庆大学获学士学位，2014年1月毕业于北京科技大学获博士学位，2015年5月起郑州大学机械工程学院工作。2016年12月至今担任机械与动力工程学院学科建设与科研管理办公室主任，中国材料研究学会疲劳分会理事，郑州大学青年骨干教师，第十一届郑州大学学生“我最喜爱的老师”。

【研究方向】

(1)抗疲劳制造技术；(2) 材料的疲劳评价及微结构的表征；（3）失效分析、腐蚀与防护。

【科研业绩】

主持国家自然科学基金项目1项、河南省重大科技专项课题1项、河南省高等学校重点科研项目1项、横向项目2项，参与国家自然科学基金项目6项、工信部项目1项、河南省重大科技专项1项。先后在Corrosion Science，Electrochemistry Communications，Materials Science and Engineering A，Applied Physics Letters，Ceramics International，Journal of the European Ceramic Society等期刊上发表学术论文20余篇，获得专利8项。