機械裝備非線性動力學(xué)與控制的關(guān)鍵技術(shù)

序

第一部分總報告

第1章前言

1.1國外裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢

1.2我國裝備制造業(yè)的現(xiàn)狀

第2章機械裝備中存在的若干非線性動力學(xué)問題

2.1高速軌道交通中的非線性動力學(xué)問題

2.2大型旋轉(zhuǎn)機械中的非線性動力學(xué)問題

2.3航空發(fā)動機中的非線性動力學(xué)問題

2.4大型風(fēng)力機中的非線性動力學(xué)問題

2.5高超聲速飛行器中的非線性動力學(xué)問題

2.6儲液罐中的非線性動力學(xué)問題

2.7航天飛行器中的非線性動力學(xué)問題

第3章機械裝備中的非線性動力學(xué)與控制技術(shù)的現(xiàn)狀與分析

3.1主要成就與貢獻

3.2存在的問題與發(fā)展方向

3.3提高我國機械裝備中非線性動力學(xué)與控制技術(shù)的建議與措施

第二部分分報告

第1章鐵道車輛動力學(xué)與控制調(diào)研報告

1.1鐵道車輛系統(tǒng)的動力學(xué)

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(jié)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(jié)和展望

1.3懸掛系統(tǒng)控制

1.3.1二系懸掛系統(tǒng)

1.3.2傾擺系統(tǒng)

1.3.3一系懸掛系統(tǒng)

1.3.4小節(jié)與展望

1.4發(fā)展趨勢

參考文獻

第2章大型旋轉(zhuǎn)機械動力學(xué)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1概述

2.2非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究方法及國內(nèi)外發(fā)展概況

2.2.1非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)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(zhuǎn)子動力學(xué)問題的數(shù)值積分方法

2.2.5滾動軸承、扭轉(zhuǎn)振動、非對稱轉(zhuǎn)子及油膜失穩(wěn)后的疲勞強度分析

2.2.6大型轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)高維非線性動力學(xué)問題的降維求解

2.3轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)設(shè)計及穩(wěn)定性

2.3.1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)行為的機理研究和實驗研究

2.3.2高速轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的非線性動力學(xué)設(shè)計

2.3.3軸系非線性穩(wěn)定性分析方法

2.4非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究中存在的問題及展望

2.5國內(nèi)外燃氣輪機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.5.1國外燃氣輪機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.5.2國內(nèi)燃氣輪機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.5.3燃氣輪機的發(fā)展目標(biāo)及其重點

參考文獻

第3章航空發(fā)動機的動力學(xué)與故障診斷

3.1航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動力學(xué)失穩(wěn)研究

3.1.1密封流體激振

3.1.2擠壓油膜阻尼器的穩(wěn)定性

3.2航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機械故障動力學(xué)研究

3.2.1轉(zhuǎn)靜碰摩故障

3.2.2熱彎曲故障

3.2.3葉片振動

3.2.4松動故障

3.2.5疲勞裂紋

3.2.6雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(fā)動機的故障診斷

3.3.1故障診斷研究現(xiàn)狀

3.3.2基于非線性動力學(xué)的故障診斷原理

3.3.3故障中的信號降噪方法

3.4結(jié)論

參考文獻

第4章大型風(fēng)電裝備設(shè)計及運行中的動力學(xué)與控制

4.1風(fēng)電產(chǎn)業(yè)與我國的能源安全息息相關(guān)

4.1.1發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)符合國家的中長期規(guī)劃

4.1.2風(fēng)電裝備國產(chǎn)化面臨的問題和挑戰(zhàn)

4.1.3科學(xué)意義與主要挑戰(zhàn)

4.1.4對國民經(jīng)濟的作用

4.2國內(nèi)外風(fēng)電裝備的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

4.2.1大型風(fēng)力機傳動系統(tǒng)的動力學(xué)理論

4.2.2復(fù)雜環(huán)境中風(fēng)電裝備的失效機理與故障診斷方法

4.2.3復(fù)雜工況下機械系統(tǒng)的可靠性增長策略

4.2.4風(fēng)力機組的振動控制與消噪技術(shù)

4.3大型風(fēng)電裝備設(shè)計及運行中的關(guān)鍵科學(xué)問題

4.3.1復(fù)雜載荷作用下大型風(fēng)力機的動力學(xué)行為與設(shè)計原理

4.3.2復(fù)雜環(huán)境中風(fēng)電裝備的狀態(tài)演化與失效機理

4.3.3復(fù)雜工況條件下機械系統(tǒng)的可靠性增長策略

4.3.4葉片及傳動系統(tǒng)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(shù)綜述

5.1近空間飛行器對高超聲速和變翼技術(shù)的需求

5.2高超聲速技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

5.2.1高超聲速定義及特性

5.2.2高超聲速技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

5.2.3高超聲速再入飛行的飛行力學(xué)問題

5.2.4高超聲速推進技術(shù)

5.2.5高超聲速技術(shù)的實驗實施

5.2.6高超聲速關(guān)鍵基礎(chǔ)理論

5.3變形機翼

5.3.1變形機翼的仿生思想及應(yīng)用背景

5.3.2變形機翼發(fā)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(guān)鍵技術(shù)

5.4高超聲速和變翼技術(shù)的展望

參考文獻

第6章儲液罐動力學(xué)與控制

6.1引言

6.2儲液罐類液體晃動動力學(xué)

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(shù)值方法

6.3液體晃動等效力學(xué)模型研究

6.4儲液罐多體系統(tǒng)動力學(xué)與控制研究

6.4.1車載儲液罐系統(tǒng)動力學(xué)研究

6.4.2船載儲液罐系統(tǒng)動力學(xué)研究

6.4.3充液航天器固—液—控耦合動力學(xué)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(yōu)控制

7.2.1局部最優(yōu)控制在星際轉(zhuǎn)移軌道中的應(yīng)用

7.2.2局部最優(yōu)控制在逃逸行星引力場中的應(yīng)用

7.3星際時間最優(yōu)軌道轉(zhuǎn)移

7.3.1時間最優(yōu)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(zhuǎn)移

7.4.1地球到人工拉格朗日點的不變流形轉(zhuǎn)移

7.4.2人工拉格朗日點之間的不變流形轉(zhuǎn)移

7.4.3平衡點與周期軌道之間的轉(zhuǎn)移

參考文獻2100433B

本書是由5位院士和動力學(xué)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(xué)部關(guān)于“提高我國機械裝備產(chǎn)品品質(zhì)的若干關(guān)鍵共性技術(shù)調(diào)查研究”項目的調(diào)查研究成果。其內(nèi)容涉及機械裝備的非線性動力學(xué)、振動與控制、設(shè)計技術(shù)、故障診斷、健康管理與智能維修決策技術(shù)方面的相關(guān)內(nèi)容。本書詳細闡述了我國裝備制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)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(fēng)力發(fā)電機、大型旋轉(zhuǎn)機械、航空發(fā)電機等機械裝備的非線性動力學(xué)與振動控制的研究現(xiàn)狀以及基礎(chǔ)理論和方法應(yīng)用于機械裝備時存在的問題，指出了非線性動力學(xué)與控制基礎(chǔ)理論研究在我國機械裝備產(chǎn)品自主創(chuàng)新中的作用與發(fā)展方向。

本書是從事動力學(xué)與控制研究的專業(yè)人員及科研工作者，學(xué)習(xí)研究動力學(xué)與控制基礎(chǔ)理論、提高機械裝備設(shè)計水平的重要指導(dǎo)書。

裝備制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展重要的支柱性產(chǎn)業(yè)，是事關(guān)國家經(jīng)濟安全及綜合國力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。我國裝備制造業(yè)經(jīng)過改革開放以后近三十年的建設(shè)，特別是進入21世紀后，我國裝備制造業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平不斷提高，某些方面達到了國際先進水平；產(chǎn)品在數(shù)量快速增長的同時，質(zhì)量也有相應(yīng)的提高。但與裝備制造業(yè)強國相比，我國制造業(yè)還存在較大的差距。

我國裝備制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力還十分薄弱，有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少，依附于國外企業(yè)的組裝產(chǎn)品比重大，很多產(chǎn)品的品牌、關(guān)鍵技術(shù)和銷售渠道掌握在跨國公司手里，知識產(chǎn)權(quán)矛盾越來越突出。而且，隨著我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)進步，一些工業(yè)發(fā)達國家對我國的戒心不斷增強，發(fā)達國家為了保持自身的競爭力和國際領(lǐng)先地位，他們對我國在高技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵭辛烁鞣N各樣的禁運和封鎖手段。

目前，我們國家十分重視裝備制造業(yè)發(fā)展。裝備制造業(yè)是技術(shù)創(chuàng)新的主要載體和平臺，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要組成部分。因此，如何按照科學(xué)發(fā)展觀的要求，使裝備制造業(yè)的發(fā)展在已取得成績的基礎(chǔ)上逐步消除存在的問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是擺在我國科技工作者面前緊迫而尖銳的任務(wù)。

中國工程院咨詢項目《提高我國機械裝備產(chǎn)品品質(zhì)的若干關(guān)鍵共性技術(shù)調(diào)查研究》（簡稱“咨詢項目”，下同）是中國工程院機械與運載工程學(xué)部于2007年啟動的一個咨詢項目，前后歷時四年。期間參加咨詢研究工作的先后有陳予恕院士、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(guān)專家學(xué)者。咨詢項目組分成八個分組，分別調(diào)查了機械裝備領(lǐng)域的七個行業(yè)中存在的一些關(guān)鍵共性技術(shù)問題。七個行業(yè)分別是：高速軌道交通機械、大型旋轉(zhuǎn)機械、航空發(fā)動機、大型風(fēng)力機、高超聲速飛行器和儲液罐及航天飛行器。并到相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)和研究所進行了調(diào)研。主要調(diào)研的單位有：上海成套設(shè)備研究院、上海汽輪機廠、杭州汽輪機廠、沈陽606研究所、沈陽黎明機械廠、哈爾濱汽輪機廠、哈爾濱電機廠、東安發(fā)動機有限公司、航天五院五零一部、石家莊軍械工程學(xué)院、裝甲兵工程學(xué)院、北方車輛研究所、航天第三研究院、哈爾濱飛機工業(yè)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(xué)研究院、鐵道科學(xué)研究院等近二十個企業(yè)和科研院所。調(diào)查結(jié)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(yè)大學(xué)陳予恕、曹登慶撰寫；分報告《鐵道車輛動力學(xué)與控制調(diào)研報告》由石家莊鐵道大學(xué)楊紹普撰寫；分報告《大型旋轉(zhuǎn)機械動力學(xué)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》由哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳照波、焦映厚撰寫；分報告《航空發(fā)動機的動力學(xué)與故障診斷》由天津大學(xué)丁千撰寫；分報告《大型風(fēng)電裝備設(shè)計及運行中的動力學(xué)與控制》由清華大學(xué)楮福磊撰寫；分報告《高超聲速與變形機翼技術(shù)綜述》由北京工業(yè)大學(xué)張偉、楊曉東撰寫；分報告《儲液罐動力學(xué)與控制》由北京理工大學(xué)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(xué)龔勝平、李俊峰、寶音賀西撰寫。

調(diào)查過程中，得到相關(guān)單位以及各領(lǐng)域的許多專家學(xué)者的鼎力支持，所有參加調(diào)查的同志在這四年當(dāng)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，這里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(chǎn)品中存在的關(guān)鍵共性技術(shù)包含的內(nèi)容非常廣泛，咨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(xué)故障及其機理的研究上，同時也關(guān)注非線性動力學(xué)理論的發(fā)展及其在機械裝備領(lǐng)域的應(yīng)用，以及非線性動力學(xué)與控制技術(shù)對提高機械裝備產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性、耐用性、安全性、可靠性、延長工作壽命等性能指標(biāo)和提高我國機械裝備產(chǎn)品品質(zhì)和國際品牌競爭力所起到的關(guān)鍵作用。

調(diào)查顯示，非線性動力學(xué)故障廣泛存在于機械裝備產(chǎn)品中。現(xiàn)代機械裝備系統(tǒng)中存在各種非線性因素，如：來自系統(tǒng)的物理的（材料的非線性本構(gòu)關(guān)系）、幾何的（彈性變形幾何關(guān)系產(chǎn)生的非線性）、結(jié)構(gòu)的（間隙、塔形彈性元件等）、耗散的（結(jié)構(gòu)阻尼、干摩擦以及高速流體阻尼等）、運動的（慣性的、沖擊的、機構(gòu)中變傳動比運動引起的質(zhì)量、剛度的周期性變化），以及搞合的（機電、流固、聲與結(jié)構(gòu)）等各種力學(xué)因素引起的非線性。

非線性因素為系統(tǒng)帶來了一系列線性系統(tǒng)所沒有的動力學(xué)現(xiàn)象，在單自由度系統(tǒng)中這些現(xiàn)象包括：多解、跳躍、極限環(huán)、亞諧共振和超諧共振、概周期解、周期解分岔和動態(tài)分岔，以及混沌運動等。在多自由度系統(tǒng)中，除上述現(xiàn)象外，還有內(nèi)共振、紐合共振、模態(tài)相互作用（能量在模態(tài)之間的轉(zhuǎn)移）以及這些特殊條件下的復(fù)雜動力學(xué)行為。這些現(xiàn)象都是由非線性系統(tǒng)解的失穩(wěn)而導(dǎo)致的，如果對這種失穩(wěn)不加以有效的控制，就可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的出現(xiàn)。

非線性動力學(xué)與控制技術(shù)的發(fā)展與成熟為機械裝備中廣泛存在的非線性動力系統(tǒng)的研究，如預(yù)測其長期的動力學(xué)行為，揭示其內(nèi)在的規(guī)律性，提出改善機械裝備系統(tǒng)的品質(zhì)及控制策略，提高機械裝備的穩(wěn)定性和安全性等提供了強有力的理論保證。目前，我國學(xué)者已經(jīng)開展了動力學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)失穩(wěn)機理研究，并在設(shè)計階段對其動力學(xué)參數(shù)進行控制（非線性動力學(xué)設(shè)計），從而對運行階段即將發(fā)生的動力學(xué)故障進行預(yù)測和控制，最終達到對動力學(xué)故障在弄清機理的基礎(chǔ)上進行治理。

如果解釋變量X的單位變動引起因變量的變化率

非線性模型的一般形式是：

施工機械裝備分析是施工企業(yè)機械裝備水平變化對施工工作量的影響及其原因分析，為提高施工企業(yè)機械裝備水平、挖掘施工潛力提供科學(xué)依據(jù)。

施工機械裝備水平的分析，以設(shè)備運轉(zhuǎn)計劃、設(shè)備實際運行記錄及生產(chǎn)任務(wù)完成情況為依據(jù)，采用對比法，將實際價值裝備率，動力裝備率和平均能力與它們的計劃數(shù)或上年同期數(shù)值進行對比，觀察其變化及存在的問題。影響施工機械裝備水平的原因很多，如設(shè)備采購計劃的完成情況、機械設(shè)備的配套狀況、施工機械更新速度等。2100433B

建筑機械裝備程度亦稱“建筑機械裝備系數(shù)”或“建筑機械裝備率”。在一定時期內(nèi) (通常為一年)施工單位每一生產(chǎn)勞動者平均擁有的建筑機械設(shè)備的數(shù)量。機械裝備程度指標(biāo)，按其用來表明機械設(shè)備總量的指標(biāo)不同，一般有兩種，即勞動技術(shù)裝備率，也稱勞動技術(shù)裝備系數(shù)，是施工單位每一生產(chǎn)勞動者平均擁有的建筑機械設(shè)備的價值;勞動動力裝備率，又稱勞動動力裝備系數(shù)，它是每一生產(chǎn)勞動者平均擁有的建筑機械設(shè)備的動力數(shù)。式中，“施工單位自有機械設(shè)備”，是指該單位有所有權(quán)并列入固定資產(chǎn)的、處于不同技術(shù)狀況的各種生產(chǎn)用機械設(shè)備，包括其自用的和出租或出借給外單位使用的施工機械、附屬輔助生產(chǎn)設(shè)備和運輸設(shè)備等，但不包括非生產(chǎn)用設(shè)備以及從外單位租人和借入的生產(chǎn)用機械設(shè)備。

自有機械設(shè)備的價值可分別按原值和凈值計算。鑒于機械設(shè)備在報廢前，其價值通過折舊面不斷減少，但它基本上仍可保持其原來的使用價值和生產(chǎn)能力，因此，用機械設(shè)備原值計算勞動技術(shù)裝備率，比之用凈值計算，可更確切地反映勞動者所平均擁有的機械設(shè)備的數(shù)量。自有機械設(shè)備的總動力數(shù)，包括機械設(shè)備本身的動力數(shù)，以及不屬機械設(shè)備組成部分但為它們服務(wù)的單獨動力設(shè)備 (如電動機等) 的動力數(shù)，但電焊機、變壓器、鍋爐等設(shè)備通常不計算動力數(shù)。機械設(shè)備的動力按設(shè)計能力或查定能力計算，并統(tǒng) 一用馬力數(shù)表示。施工單位的職工平均人數(shù)，包括全部固定職工、合同制職工、臨時職工和計劃外職工的平均人數(shù)，而且根據(jù)觀察的目的不同，可以計算全部職工的技術(shù)裝備率和動力裝備率，也可僅計算全部工人或建筑安裝工人的技術(shù)裝備率和動力裝備率。2100433B