黃文虎(機械動力學與振動專家)

黃文虎，力學家、振動工程專家和教育家。長期從事振動、控制及穩定性理論方面的研究工作。結合中國大型汽輪發電機組及其他複雜結構，提出了新的調頻理論與算法，將結構故障的振動診斷技術套用於產品開發，取得顯著效果。

基本介紹

• 中文名：黃文虎
• 出生地：上海市
• 出生日期：1926年7月22日
• 職業：力學家、教育家、振動工程專家
• 畢業院校：浙江大學
• 代表作品：振動系統參數識別的三個新方法

簡介

黃文虎（1926.7.22－），機械動力學與振動專家，中國工程院院士。浙江省永康縣人。1949年畢業於浙江大學獲學士學位。1953年哈爾濱工業大學研究班結業。現任哈爾濱工業大學教授，中國振動工程學會名譽理事長。

黃文虎

在複雜結構的振動分析和振動設計方面，提出汽輪機整圈連線長葉片振動設計的新方法和葉片調頻的“三重點”理論，解決了我國自行設計大容量汽輪機中的一個技術關鍵。針對高速旋轉機械和衛星及載人飛船等設備的故障診斷，提出模糊智慧型診斷等新方法。開發多套旋轉機械故障診斷裝置，取得較大的經濟和社會效益。針對我國太空飛行器和工業機器人，發展多柔性體系統動力學。研製帶撓性附屬檔案衛星動力學與控制的套用軟體，研究運載器儀器艙的減振技術和新型的整星隔振技術，為我國衛星完善動力學設計提供了手段。

1995年當選為中國工程院院士。

主要經歷

◆1949年畢業於浙江大學

◆1950年來哈爾濱工業大學，進入研究生班◆1953年畢業留校，先後擔任助教（1952年）、講師（1956年）、副教授（1962年）、教授（1979年）

黃文虎

◆1981年首批被批准為一般力學博士生導師

◆1995年入選中國工程院院士

在哈工大先後曾任

◆理論力學教研室副主任(1952-1995,1957-1958年)

◆圖書館副主任（1955-1956年）

◆工程數理軟科學系副主任（1959-1961年）

◆飛行器結構強度教研室主任（1961-1966年）

◆副校長（1981-1983年）

◆ 校長（1983-1985年）

◆研究生院院長（1984-1987年）

學術兼職

◆國家自然科學基金委員會委員

◆國務院學位委員會學科評議組成員

◆人事部博士後管委會專家組成員

◆航天工業總公司科技委委員

◆國家教委科技委力學組◆黑龍江省科協名譽主席

黃文虎

◆中國振動工程學會理事長

◆中國宇航學會和中國航空學會名譽理事

◆《振動工程學報》副主編

◆《振動與衝擊》名譽主編

◆西安交大兼職教授

學術成就

黃文虎教授是國內著名的力學及振動工程專家，在振動、動力學與控制及故障診斷等方面有很學術造詣，解決了國內多項比較重大工程項目中的關鍵科學技術問題。

◆對大容量汽輪機械整圈接長葉片組的振動設計提出了全新的計算方法和葉片調頻的“三重點”理論，解決了這類結構調頻這一國內外懸而未決的問題，對提高機組安全可靠性有重大作用，這些理論和方法已被國內製造廠和設計單位所採用，取得了重大的經濟效益和社會效益。

◆結合我國新一代通信衛星的研製，完成了“具有撓性太陽帆板的三軸穩定衛星動力學與控制”項目，是國內最早實現的能真正提供工程衫的衛星動力學分析軟體系統。

◆在我國最早創立開展設備故障診斷技術研究，發展了模糊診斷、人工智慧、神經網路等診斷技術。

◆在旋轉機械故障診斷領域，開發故障診斷系統，裝備於國內多個電廠和石化企業，取得了重大的經濟效益和社會效益，產品已列入《1995年國家科技成果重點推廣計畫摜》項目。

◆在衛星、飛般故障診斷技術可行性研究和原理性實驗方面取得重要成果，為故障診斷技術在我國航天領域的套用提供了途徑。

◆此外在航天結構振動分析、振動系統參數識別、衛星軌道計算、機器人逆動力學、彈性動力學反問題等方面都取得了有意義的成果。

論著成果

多年來多項研究成果先後獲部科技進步一等獎2項，二、三等獎6項。發表論文150 余篇。主編大型工具書《振動與衝擊手冊》三卷250萬字， 主編及編著《一般力學（動力學、振動與控制）最新進展》、《多柔性體系統動力學》、《設備故障診斷原理、技術及套用》，均由科學出版社出版。五十年代起，在哈工大從事理論力學教學工作，講授多門課程，籌建飛行器結構強度專業，培養的大批人才已成為國內航天、航空等領域技術骨幹。八十年代以來，先後培養博士生50人及碩士生多人，已獲博士學位26人，其中已晉升教授6人，被批准為博士生導師2人，有的已擔任部、院重要領導工作。近年在非線性動力學研究方面取得了一系列成果。獲部科技進步一等獎2項，二、三等獎6項，發表論文150餘篇和中英文著作6部。

《動力學學報》

學科研究

振動分析設計

黃文虎在50年代和60年代主要從事教學工作，他在振動理論方面打下了堅實的基礎，寫過一些論文，但還沒有和工程問題結合起來。1972年，黃文虎到哈爾濱汽輪機廠，參加了國產60萬千瓦汽輪機的設計工作。按氣動力要求，該機末級葉片長達1米，葉片所承受的離心力近萬噸，為提高葉片動剛度和強度，決定採用拱形圍帶和松拉金整圈連線方案。但這一方案結構複雜，調頻原則不明，當時國內外尚未見到有關設計方法，這樣，長葉片設計就成了60萬千瓦機組設計的一個關鍵問題。黃文虎深入調查，和工廠設計人員一起構造力學模型，推導振動方程，在沒有國外資料的條件下，利用自己長期積累的振動知識，提出了一種全新的理論與計算方法。他與設計人員一同編排程式，一起計算，最後又一起作振動模型試驗，試驗結果證明黃文虎所提出的被稱之為“三重點”調頻理論是正確的，使得長葉片設計工作得以順利進行。利用這一方法，使設計的長葉片既輕巧，又安全，節省了大量合金材料，和法國同類自由長葉片相比，約輕1/3左右。他所設計的1米長葉片在東方汽輪機廠已用於生產，並已有3年以上的安全運行考驗。這一理論當時在國內外是首創的，已用於20萬千瓦、30萬千瓦等機組，填補了中國汽輪機長葉片振動計算中的空白，取得了重大的社會經濟效益。有關這方面的文章《整圈連線葉片組的自由和受迫振動》、《具有隨機參數的周期結構的振動》分別於1981年和1982年發表在美國的權威雜誌《美國航空航天學報》上．該雜誌的審稿人認為這是沒有別的文章所能比得上的。

黃文虎在迴轉機械的振動方面積累了豐富的經驗，經常下廠指導解決實際問題。1990年，哈爾濱汽輪機廠生產的第24台艦用汽輪機因振動超差影響出廠。黃文虎正確地提出了降低軸承長徑比的簡便而有效的措施，從而使機組振動量從60μ降至了3μ左右，徹底地解決了機組振動問題，也解決了某艦在港口等數月而不能出海的問題，並為工廠挽回了數以百萬元計的經濟損失。

在航天飛行器振動的研究方面，黃文虎也做了大量工作。例如在彈翼振動計算、艙體翼面組合結構振動分析、艙段連線剛度識別和尾翼顫振分析等多方面取得一系列理論和套用成果。“艙體翼面組合結構振動分析和計算程式”課題曾獲航天部科技進步一等獎。

在飛彈回響分析方面，針對受控細長體飛行器，提出了閉迴路系統動回響分析方法，為設計部門提供了實用手段。

結構動力學

黃文虎是在中國率先提出研究動力學反問題的人之一。動力學的正問題一般是指已知系統模型和輸入，求系統輸出，這一問題研究得比較成熟。動力學反問題是指已知系統的輸入和輸出，求系統的數學模型（或稱建模），或已知系統的數學模型及輸出，求系統的輸入（在結構動力學中稱為載荷識別）。反問題是70年代以來科學發展的前沿問題，有極其廣泛和深遠的前景。黃文虎將自動控制理論中的系統辯識理論套用于振動參數的辯識中，並把研究重點放在還不成熟的時域方法上，得出了振動參數可辯識性條件的若干結論。他發展了結構振動參數的辯識方法，提出了一些計算法，在提高識別精度、抗干擾能力、鑑別虛假模態等方面作出了重大改進。因而在結構動力學的反問題研究方面取得了較系統的成果，在“結構振動參數識別的理論基礎研究”方面獲得航天部科技進步二等獎。

黃文虎還利用自然科學基金的資助，研究了在生產現場背景條件下的振動參數辯識問題，把參數辯識這一新技術從實驗室推向工程套用領域。生產現場背景下的參數辯識存在很多困難，拿高速轉子來說，首先是很難實施人工激勵，利用結構本身與環境激起的振動數據進行識別時，則輸入是未知的。其次是在現場條件下觀測數據是很有限的。在輸入數據和觀測數據都不足的條件下，他儘可能地套用其中的已知條件，解決了在現場不施加人工激勵條件下辯識轉子油膜剛度這個至關重要而又困難的問題，提出了部分激勵參數與部分結構參數統一識別的理論和方法。

振動診斷技術

結構和設備故障的監測、預報和診斷一直是人們關心的問題。美國現在在大型客機上都裝有故障診斷和預報裝置，以防止災難性事故的發生。中國某電廠大型機組的惡性事故的發生，促進了更重視對故障診斷技術的研究。黃文虎在六五期間就承擔了國家科技重點攻關項目“汽輪發電機組振動監測與故障診斷方法的研究”。他在診斷理論方面最早引入模糊數學，提出了模糊診斷等新概念和方法，把人工智慧專家系統理論及新一代計算機的神經網路理論和方法引入故障診斷。這些開創性的工作為故障診斷開闢了新路。他還重視理論成果的轉化，致力於故障診斷設備的研製和開發工作，在國內較早和成功地將微機套用於汽輪發電機組和振動監測與故障診斷上，開發了幾套具有中國特色的振動監測與故障診斷系統。這些系統具有振動測試，數據採集、分析、計算、顯示、列印、繪圖與例行日報的全自動化功能。設備發生故障時，可自動預報並通過計算機專家系統進行故障性質的診斷。這些系統可將大量機組運行資料儲存起來，隨時通過人機對話查閱歷史運行資料。其中，“故障自動模糊診斷系統”可對故障進行自動診斷、自動預報。該系統於1985年10月通過機械工業部的鑑定，通過大慶新華電廠的套用，運行良好。1987年，黃文虎負責的“汽輪發電機組振動監測與故障診斷方法的研究”獲航天工業部科技進步一等獎。1989年1月18日， 《光明日報》記者還報導了黃文虎、夏松波建議採用先進監測手段，改變現行發電設備檢修制度的倡議。該項目在全國推廣後，將帶來巨大的經濟效益。

太空飛行器動力學

大型空間飛行器結構，如空間站、具有太陽帆板的衛星等都具有多體、柔性等特點。黃文虎開展了多柔體動力學的研究，完善了鏈狀、樹型、簇型等結構的建模、降階及求解，發展了多柔體動力學，並且結合中國空間機械臂的動力學與控制問題，完成了高技術“863－205專家組”提交的課題。

針對中國載人太空飛行器的運載系統將採取“捆綁火箭”結構，黃文虎負責完成了“複雜組合體飛行器的結構動力學分析與試驗研究”及“天地往返運輸系統的結構動力穩定性分析”等兩個課題。黃文虎還結合中國新一代通信衛星的研製，完成了“具有撓性太陽帆板的三軸穩定衛星動力學與控制”課題的研究，獲航天工業部科技進步二等獎。該課題對國際有關資料進行了深入全面的分析，結合中國衛星研究的具體情況，在國內首次提出了本類衛星力學分析的軟體系統，為中國進行這類衛星的總體設計和方案比較提供了實用手段。該研究成果已交有關設計部門付諸實際套用。

動力學系統研究

黃文虎在集中精力解決工程實際問題的同時，也注意理論問題的研究，特別是學科前沿的理論問題。他對線性動力學系統的特徵結構配置問題研究，突破了前人僅限於定常系統的局限，提出了時變線性系統的特徵結構配置理論，證明其穩定性不再由系統的特徵值唯一決定，還與系統的特徵向量有關的重要結論，對解決時變系統的控制問題提供了一條途徑。

針對中國將發展載人航天技術，黃文虎在空間飛行器交會對接動力學與控制問題上，對時間固定、有限推力問題得到一系列封閉解，突破了前人的結果。對大系統理論，提出了Lyapunov函式的時變加權和的思想，還發展了變結構方法，用於解決飛行器大系統的控制設計。在《力學學報》1989年第6期上發表的論文《廣義正定矩陣及其在穩定性分析中的套用》，擴展了用正定矩陣理論解決問題的範圍，針對飛行器模態增長及多種不確定因素髮展了不確定動力學系統的魯棒穩定性分析理論和方法，為中國太空飛行器設計及其交會對接提供了技術儲備。

黃文虎在教材建設方面也做過很多工作。50年代初，他參加了翻譯出版蘇聯伏龍科夫著的《理論力學》和密歇爾斯基著的《理論力學習題集》，還參加了目前高教出版社出版的《理論力學》第一版的部分章節編寫工作。60年代，他編寫了工程力學專業用的《振動理論》與《空氣彈性力學》講義。80年代，參加主審了《航空發動機強度設計、試驗手冊》 ，該書獲航空工業部科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。書中收入了黃文虎的有關葉片振動分析所做的理論研究及所發展的算法與程式。80年代末，主編了由國防工業出版社出版的《振動與衝擊手冊》第一、第二、第三卷。該書既包括基本理論研究，又注重了工程套用，緊密結合中國國情，反映了這一領域的最新成果。