機械裝備非線性動力學與控制的關鍵技術

《機械裝備非線性動力學與控制的關鍵技術》是2011年7月機械工業出版社出版的圖書，作者是陳予恕。

基本介紹

• 書名：機械裝備非線性動力學與控制的關鍵技術
• 作者：陳予恕
• ISBN：978-7-111-34466?-7
• 頁數：272頁
• 定價：40.00元
• 出版社：機械工業出版社
• 出版時間：2011年7月
• 開本：B5

內容簡介

本書是由5位院士和動力學與控制方面的多位專家、教授參與的中國工程院機械與運載學部關於“提高我國機械裝備產品品質的若干關鍵共性技術調查研究”項目的調查研究成果。其內容涉及機械裝備的非線性動力學、振動與控制、設計技術、故障診斷、健康管理與智慧型維修決策技術方面的相關內容。本書詳細闡述了我國裝備製造業的發展現狀和存在問題，進一步闡述了涉及航空航天飛行器、高速鐵路機車車輛、公路運輸機械、大型風力發電機、大型旋轉機械、航空發電機等機械裝備的非線性動力學與振動控制的研究現狀以及基礎理論和方法套用於機械裝備時存在的問題，指出了非線性動力學與控制基礎理論研究在我國機械裝備產品自主創新中的作用與發展方向。

本書是從事動力學與控制研究的專業人員及科研工作者，學習研究動力學與控制基礎理論、提高機械裝備設計水平的重要指導書。

序言

裝備製造業是我國國民經濟發展重要的支柱性產業，是事關國家經濟安全及綜合國力的戰略性產業。我國裝備製造業經過改革開放以後近三十年的建設，特別是進入21世紀後，我國裝備製造業有了突飛猛進的發展。產業技術水平不斷提高，某些方面達到了國際先進水平；產品在數量快速增長的同時，質量也有相應的提高。但與裝備製造業強國相比，我國製造業還存在較大的差距。

我國裝備製造業技術創新能力還十分薄弱，有自主智慧財產權的產品少，依附於國外企業的組裝產品比重大，很多產品的品牌、關鍵技術和銷售渠道掌握在跨國公司手裡，智慧財產權矛盾越來越突出。而且，隨著我國裝備製造業的快速發展和技術進步，一些工業已開發國家對我國的戒心不斷增強，已開發國家為了保持自身的競爭力和國際領先地位，他們對我國在高技術領域實行了各種各樣的禁運和封鎖手段。

目前，我們國家十分重視裝備製造業發展。裝備製造業是技術創新的主要載體和平台，是建設創新型國家的重要組成部分。因此，如何按照科學發展觀的要求，使裝備製造業的發展在已取得成績的基礎上逐步消除存在的問題，實現可持續發展是擺在我國科技工作者面前緊迫而尖銳的任務。

中國工程院諮詢項目《提高我國機械裝備產品品質的若干關鍵共性技術調查研究》（簡稱“諮詢項目”，下同）是中國工程院機械與運載工程學部於2007年啟動的一個諮詢項目，前後歷時四年。期間參加諮詢研究工作的先後有陳予恕院士、黃文虎院士、劉仁懷院士、高金吉院士、聞邦椿院士以及許多相關專家學者。諮詢項目組分成八個分組，分別調查了機械裝備領域的七個行業中存在的一些關鍵共性技術問題。七個行業分別是：高速軌道交通機械、大型旋轉機械、航空發動機、大型風力機、高超聲速飛行器和儲液罐及航天飛行器。併到相關的生產企業和研究所進行了調研。主要調研的單位有：上海成套設備研究院、上海汽輪機廠、杭州汽輪機廠、瀋陽606研究所、瀋陽黎明機械廠、哈爾濱汽輪機廠、哈爾濱電機廠、東安發動機有限公司、航天五院五零一部、石家莊軍械工程學院、裝甲兵工程學院、北方車輛研究所、航天第三研究院、哈爾濱飛機工業集團有限公司、哈爾濱軸承集團公司、航天第七研究院、機械科學研究院、鐵道科學研究院等近二十個企業和科研院所。調查結果形成了一個總報告和七個分報告。其中，總報告由哈爾濱工業大學陳予恕、曹登慶撰寫；分報告《鐵道車輛動力學與控制調研報告》由石家莊鐵道大學楊紹普撰寫；分報告《大型旋轉機械動力學的研究現狀及發展趨勢》由哈爾濱工業大學陳照波、焦映厚撰寫；分報告《航空發動機的動力學與故障診斷》由天津大學丁千撰寫；分報告《大型風電裝備設計及運行中的動力學與控制》由清華大學楮福磊撰寫；分報告《高超聲速與變形機翼技術綜述》由北京工業大學張偉、楊曉東撰寫；分報告《儲液罐動力學與控制》由北京理工大學岳寶增撰寫；分報告《太陽帆飛行器軌道控制研究》由清華大學龔勝平、李俊峰、寶音賀西撰寫。

調查過程中，得到相關單位以及各領域的許多專家學者的鼎力支持，所有參加調查的同志在這四年當中都進行了艱難但是卓有成效的合作，沒有這些支持與合作，就不可能有這本書。所以，這裡首先要對大家所給予的支持與合作表示衷心的感謝。

機械裝備產品中存在的關鍵共性技術包含的內容非常廣泛，諮詢項目從一開始就將重點集中在機械裝備的非線性動力學故障及其機理的研究上，同時也關注非線性動力學理論的發展及其在機械裝備領域的套用，以及非線性動力學與控制技術對提高機械裝備產品的精度、穩定性、耐用性、安全性、可靠性、延長工作壽命等性能指標和提高我國機械裝備產品品質和國際品牌競爭力所起到的關鍵作用。

調查顯示，非線性動力學故障廣泛存在於機械裝備產品中。現代機械裝備系統中存在各種非線性因素，如：來自系統的物理的（材料的非線性本構關係）、幾何的（彈性變形幾何關係產生的非線性）、結構的（間隙、塔形彈性元件等）、耗散的（結構阻尼、乾摩擦以及高速流體阻尼等）、運動的（慣性的、衝擊的、機構中變傳動比運動引起的質量、剛度的周期性變化），以及搞合的（機電、流固、聲與結構）等各種力學因素引起的非線性。

非線性因素為系統帶來了一系列線性系統所沒有的動力學現象，在單自由度系統中這些現象包括：多解、跳躍、極限環、亞諧共振和超諧共振、概周期解、周期解分岔和動態分岔，以及混沌運動等。在多自由度系統中，除上述現象外，還有內共振、紐合共振、模態相互作用（能量在模態之間的轉移）以及這些特殊條件下的複雜動力學行為。這些現象都是由非線性系統解的失穩而導致的，如果對這種失穩不加以有效的控制，就可能導致系統故障的出現。

非線性動力學與控制技術的發展與成熟為機械裝備中廣泛存在的非線性動力系統的研究，如預測其長期的動力學行為，揭示其內在的規律性，提出改善機械裝備系統的品質及控制策略，提高機械裝備的穩定性和安全性等提供了強有力的理論保證。目前，我國學者已經開展了動力學系統的動態失穩機理研究，並在設計階段對其動力學參數進行控制（非線性動力學設計），從而對運行階段即將發生的動力學故障進行預測和控制，最終達到對動力學故障在弄清機理的基礎上進行治理。

目錄

序

第一部分總報告

第1章前言

1.1國外裝備製造業的發展趨勢

1.2我國裝備製造業的現狀

第2章機械裝備中存在的若干非線性動力學問題

2.1高速軌道交通中的非線性動力學問題

2.2大型旋轉機械中的非線性動力學問題

2.3航空發動機中的非線性動力學問題

2.4大型風力機中的非線性動力學問題

2.5高超聲速飛行器中的非線性動力學問題

2.6儲液罐中的非線性動力學問題

2.7航天飛行器中的非線性動力學問題

第3章機械裝備中的非線性動力學與控制技術的現狀與分析

3.1主要成就與貢獻

3.2存在的問題與發展方向

3.3提高我國機械裝備中非線性動力學與控制技術的建議與措施

第二部分分報告

第1章鐵道車輛動力學與控制調研報告

1.1鐵道車輛系統的動力學

1.1.1軌道模型

1.1.2車體模型

1.1.3整車模型

1.1.4小結與展望

1.2輪軌接觸問題

1.2.1輪軌接觸方程的建立

1.2.2蠕滑問題

1.2.3磨耗問題研究

1.2.4輪軌接觸對車輛性能的影響

1.2.5實驗驗證

1.2.6小結和展望

1.3懸掛系統控制

1.3.1二系懸掛系統

1.3.2傾擺系統

1.3.3一系懸掛系統

1.3.4小節與展望

1.4發展趨勢

參考文獻

第2章大型旋轉機械動力學的研究現狀及發展趨勢

2.1概述

2.2非線性轉子動力學研究方法及國內外發展概況

2.2.1非線性轉子動力學研究的一般方法

2.2.2非線性油膜力模型

2.2.3動壓密封力

2.2.4求解非線性轉子動力學問題的數值積分方法

2.2.5滾動軸承、扭轉振動、非對稱轉子及油膜失穩後的疲勞強度分析

2.2.6大型轉子—軸承系統高維非線性動力學問題的降維求解

2.3轉子系統非線性動力學設計及穩定性

2.3.1轉子系統非線性動力學行為的機理研究和實驗研究

2.3.2高速轉子—軸承系統的非線性動力學設計

2.3.3軸系非線性穩定性分析方法

2.4非線性轉子動力學研究中存在的問題及展望

2.5國內外燃氣輪機研究現狀及發展趨勢

2.5.1國外燃氣輪機的研究現狀和發展趨勢

2.5.2國內燃氣輪機的研究現狀和發展趨勢

2.5.3燃氣輪機的發展目標及其重點

參考文獻

第3章航空發動機的動力學與故障診斷

3.1航空發動機轉子的動力學失穩研究

3.1.1密封流體激振

3.1.2擠壓油膜阻尼器的穩定性

3.2航空發動機轉子結構機械故障動力學研究

3.2.1轉靜碰摩故障

3.2.2熱彎曲故障

3.2.3葉片振動

3.2.4鬆動故障

3.2.5疲勞裂紋

3.2.6雙轉子結構故障

3.2.7滾動軸承故障

3.2.8機動飛行的影響及整機振動

3.3航空發動機的故障診斷

3.3.1故障診斷研究現狀

3.3.2基於非線性動力學的故障診斷原理

3.3.3故障中的信號降噪方法

3.4結論

參考文獻

第4章大型風電裝備設計及運行中的動力學與控制

4.1風電產業與我國的能源安全息息相關

4.1.1發展風電產業符合國家的中長期規劃

4.1.2風電裝備國產化面臨的問題和挑戰

4.1.3科學意義與主要挑戰

4.1.4對國民經濟的作用

4.2國內外風電裝備的研究現狀和發展趨勢

4.2.1大型風力機傳動系統的動力學理論

4.2.2複雜環境中風電裝備的失效機理與故障診斷方法

4.2.3複雜工況下機械系統的可靠性增長策略

4.2.4風力機組的振動控制與消噪技術

4.3大型風電裝備設計及運行中的關鍵科學問題

4.3.1複雜載荷作用下大型風力機的動力學行為與設計原理

4.3.2複雜環境中風電裝備的狀態演化與失效機理

4.3.3複雜工況條件下機械系統的可靠性增長策略

4.3.4葉片及傳動系統的振動控制

4.4需要解決的主要突破點

參考文獻

第5章高超聲速與變形機翼技術綜述

5.1近空間飛行器對高超聲速和變翼技術的需求

5.2高超聲速技術發展及現狀

5.2.1高超聲速定義及特性

5.2.2高超聲速技術套用的發展

5.2.3高超聲速再入飛行的飛行力學問題

5.2.4高超聲速推進技術

5.2.5高超聲速技術的實驗實施

5.2.6高超聲速關鍵基礎理論

5.3變形機翼

5.3.1變形機翼的仿生思想及套用背景

5.3.2變形機翼發展史

5.3.3近代幾種典型可變形飛機介紹

5.3.4變形機翼關鍵技術

5.4高超聲速和變翼技術的展望

參考文獻

第6章儲液罐動力學與控制

6.1引言

6.2儲液罐類液體晃動動力學

6.2.1儲液罐類液體晃動研究的解析方法

6.2.2儲液罐類液體大幅晃動研究的數值方法

6.3液體晃動等效力學模型研究

6.4儲液罐多體系統動力學與控制研究

6.4.1車載儲液罐系統動力學研究

6.4.2船載儲液罐系統動力學研究

6.4.3充液太空飛行器固—液—控耦合動力學研究

6.5未來研究方向展望

參考文獻

第7章太陽帆飛行器軌道控制研究

7.1引言

7.2太陽帆飛行器局部最優控制

7.2.1局部最優控制在星際轉移軌道中的套用

7.2.2局部最優控制在逃逸行星引力場中的套用

7.3星際時間最優軌道轉移

7.3.1時間最優控制理論

7.3.2求解方法

7.3.3算例

7.4不變流形軌道轉移

7.4.1地球到人工拉格朗日點的不變流形轉移

7.4.2人工拉格朗日點之間的不變流形轉移

7.4.3平衡點與周期軌道之間的轉移

參考文獻