中国科协青年科学家论坛130次活动纪要

shenyongjun

机械系统动力学正反问题及工程应用
                     ——中国科协举办青年科学家论坛第130次活动

　　中国科协青年科学家论坛第130次活动于2006年11月16-19日在石家庄铁道学院举行。本次论坛的主题为“机械系统动力学正反问题及工程应用”。石家庄铁道学院杨绍普教授、西南交通大学翟婉明教授、上海交通大学孟光教授、北京工业大学张伟教授、清华大学褚福磊教授五位国家杰出青年基金获得者担任本次论坛的执行主席。

　　论坛开幕式于11月17日上午8:30举行，杨绍普教授主持。首先由承办单位代表，石家庄铁道学院党委书记、院长王岳森教授首先向特邀专家及代表致欢迎词，并且简要介绍了石家庄铁道学院近年来在多项国家重点工程中如青藏铁路、秦岭隧道、秦沈客运专线等取得的成就，并祝愿本次论坛圆满成功。

　　东北大学闻邦椿院士作为论坛特邀代表作了“关于深化三机(先进的机械设计理论与方法、机械动力学、机械故障诊断)研究工作的几点看法”的特邀报告。他首先介绍了我国在机械设计领域所取得的重大成就和应该引起重视的一些问题，也介绍了东北大学和国内其它研究单位近几年来在这些方面的最新进展，其中包括创新设计、绿色设计、动态优化设计、智能优化设计等，以及复杂机械系统的动力学，机械故障诊断与现代信号处理技术等，并对这些工作进行了总结、归类和提升。随后提出了若干值得重视的研究发展方向，例如：(1)如何提高我国机械制造业的自主创新能力，如汽车领域的自主创新能力；(2)如何将最新的研究成果应用于我国的重大装备的研究与设计过程中；(3)机械动力学的研究既要重视系统建模也要重视求解方法；(4)应该进一步加深振动利用与控制的研究等；(5)重大机械装备的研究中，应该特别重视非线性动力学的理论与应用的研究等。闻院士的特邀报告所展现的研究思路、方法和策略给所有与会者深刻启发，引发了大家的热烈讨论和提问。

　　本次论坛共有来自全国所20余所高校的30多位青年科学家，其中28人进行了专题报告，同时还吸引了20多名来自石家庄铁道学院和河北科技大学的资深专家、青年学者和研究生与会。论坛围绕着“机械系统动力学正反问题及工程应用”这一主题开展学术交流与讨论。

　　一、论坛反映的主要学术观点和最新进展
　　1 、 国家自然科学基金中机械动力学学科的新动态
国家自然科学基金委员会工程与材料科学部副主任黎明研究员的报告“国家自然科学委员会工程与材料学部若干重点资助方向”介绍了工程与材料学部的若干优先资助领域，近年来工程与材料学部基金申请与批准的趋势，以及学部重点项目和重大项目的部署、申请情况，鼓励大家在创新的基础上将工程科学与自然科学密切结合。国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械与制造科学处项目主任王国彪教授的报告“国家自然科学基金委员会机械学科未来的重点发展方向”总结了近年来机械动力学学科的基金申请情况，指出了学科交叉和工程应用是机械学科发展的生命力，并向大家报告了机械学科基金设置类型的一些情况。
　　2、  非线性动力学的基本理论
　　张伟的报告“Nonlinear dynamics of a rotor-active magnetic bearing system with time-varying stiffness”阐述了能量相位法和广义Melnikov方法两种研究高维非线性系统的全局摄动法，并应用于主动磁轴承的多脉冲Shilnikov轨道和混沌动力学，最后与数值结果进行了比较。王在华的报告“伪振子分析法-研究非线性时滞系统Hopf分岔的一种新方法”介绍了一种构造等价时滞非线性系统的新方法，并且用于研究原系统的Hopf分岔的近似解析解和稳定性。丁千的报告“机械系统摩擦动力学问题”介绍了机械系统中常见的摩擦力的形式和一些新模型，以及这些模型带来的动力学研究的新问题，包括混沌、分岔、稳定性等。曹登庆的报告“细长结构非线性动力学及其工程应用”介绍了Grosserat理论用于细长杆时的大位移问题及解决方法，以及由此发现的一些新现象。张宪民的报告“柔顺机构动力学及其工程应用”主要介绍了柔顺机构的分析方法-伪刚体模型法及如何精确定位的问题，以及柔顺机构的设计方法如均匀化方法、基础结构法和遗传算法等。
　　3 、 车辆系统的非线性动力学与控制
　　翟婉明的报告“铁路货车系统非线性动力学问题”重点介绍了货车中的非线性因素-轮轨蠕滑力、悬挂系统的刚度和阻尼等对系统动力学的影响，并结合现场测试得到的结果进行了比较。杨绍普的报告“汽车-路面-路基耦合系统动力学”以1/4车型与路面、路基构成的复杂系统为例，介绍了三者发生耦合时相互之间的作用关系，指出振动产生的路面破坏在某些情况下和重载车产生的破坏相当。丁能根的报告“单轨车辆的驾驶员模型”针对摩托车模型，将人体分作两部分考虑，研究了人体响应对单轨车辆的动力学的影响，指出了蛇行运动的可能性。张义民的报告“我国汽车可靠性设计理论与实践的研究状况评价”介绍了我国汽车领域以及相关领域的可靠性设计、可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计和可靠性稳健设计的研究现状和发展方向，以及我国可靠性设计工作者在汽车可靠性设计等方面的研究成果与国际接轨的情况。
　　4 、 传统机械系统的动力学和控制
　　孟光的报告“高速动平衡机性能增长研究”介绍了通过有限元建模、动力学分析和现场测试的手段，对上海某大型动平衡机的工作能力和寿命预测进行了全面评估，提高了设备的工作水平，并简要介绍了国外在这方面的研究成果。孔繁森的报告“颤振与混沌演化机理的研究”介绍了机床切削颤振的动力学特性，尤其是通过最大Lyapunov指数、概率密度函数等，利用实验数据验证了系统的动力学特性由规则向混沌的演化历程。祝长生的报告“机械动力学的几个问题：建模、实验、非线性”强调对于机械系统的动力学研究要重视一些细微的因素，并且以摩擦、非线性阻尼力、实验等为例，比较了忽略一些次要因素对系统动力学特性的影响。王建军的报告“关于齿轮非线性振动”介绍了齿轮动力学中实验研究的一些最新进展，尤其是国外的最新成果。梅雪松的报告“高速运动控制中的动力学问题”以高速运动的印刷机械为例，介绍了其中的磁悬浮平台、磁轴承传递系统等对印刷质量、印刷效率等的影响，指出了我国印刷机械和国外先进水平的差距。
　　5、  国防工业中的机械动力学问题
王德石的报告“兵器动力学的若干问题”主要介绍了现代兵器的动力学与控制问题，包括：跟踪与定位，探测与制导，动力学与控制等，并且以鱼雷航行动力学、火炮振动和鱼雷发动机空间机构动平衡三个专题为例，介绍了兵器机械动力学的研究进展。金栋平的报告“航天器结构系统的动力学与控制”介绍了航天器结构中的拦索系统在工作时的动力学特性，通过控制运动速度来实现张力的控制，并且建立了速度与张力之间的数学模型，最后通过实验进行了验证。阎绍泽的报告“可展机构动力学研究”以太阳能帆板为例，介绍了这一复杂系统的动力学，认为只要激励不在主频以内该系统完全可以通过被动控制使系统满足振动要求，并且介绍了如何在实验室内以地面环境模拟空间环境的经验。胡茑庆的报告“航天推进系统健康监控与故障诊断”介绍了以机械动力学理论为基础，指导航天推进系统的故障诊断与在线检测的问题。白鸿柏的报告“滞迟振动系统得理论研究及工程应用”以金属橡胶为例，介绍了这一滞迟振动系统的隔振特性以及在军事工业的潜能，并且指出以后可以根据所需特性设计相关材料。
　　6、  机械系统的故障诊断研究
褚福磊的报告“支持向量机及其在机械故障诊断中的应用”介绍了支持向量机这种方法整体的准确性以及和神经网络的区别，如何优化，如何多级串联等问题，并且以小数据量实验验证了方法的有效性。申永军的报告“盲信号分离技术及在故障诊断中的应用”介绍了这种新方法的特点、应用范围及在机械系统故障诊断中应该注意的几个问题，并且提出了一种基于分数Fourier变换的新方法，最后以货车轴承为例介绍了该方法的应用。唐力伟的报告“自行火炮故障诊断中的信号处理技术”介绍了机械故障诊断方法在自行火炮综合系统中的应用，并介绍了基于瞬态分析和基于传递特性分析的齿轮箱故障诊断新方法。韩清凯的报告“转子系统局部故障的位置及瞬时力的辨识”通过建立数学模型、数值仿真、现场实验等手段提出了一种能够识别转子系统局部故障位置及瞬时力的新方法。徐光华的报告“基于动态模型的监测诊断技术”提出了如何根据实验数据建立系统的动态模型，从而进行在线诊断的问题，并且以在武钢得到的现场数据进行了分析和验证。付忠广的报告“基于数据挖掘技术的动力学系统反向建模方法”指出了基于数据挖掘的动力学系统反向建模需要解决的关键问题，并探索了数据处理时的模型不确定性问题如何解决，以及如何通过状态空间的重构进行反向建模的问题。

　　二、论坛与会者就未来发展达成的共识
　　机械系统的动力学建模、分析、设计和控制的一般理论和方法是机械动力学学科的主要研究范畴，其总体发展趋势是高速、高精度、非线性、多尺度和多场耦合系统的动力学。具体地说，今后所研究的工程系统日益复杂，将包括各种非线性因素，机、电、磁、热和流等多场耦合因素，边界与结合部效应，微机电系统引起的尺度效应等。因此需要发展新的机械动力学理论、分析与仿真技术来研究机械工程系统的大范围动力学特性，要基于对工程系统动力学的深刻理解来发展新的优化方法和故障诊断技术实现对系统的动力学设计，还要发展各种主动控制乃至智能控制来使系统获得所需的运动。与会者就机械动力学中具有共性和根本性的一些前沿研究方向达成共识，建议优先开展以下几方面的研究工作。
　　1 、 基本机械零部件的建模、实验与动力学
　　作为机械系统的基本零部件，齿轮、轴承、转子等构成的旋转机械一直是近年来的研究热点。对于旋转机械的常规动力学与故障诊断方法，虽然目前有一些较成熟的理论，如多尺度法、平均法、增量谐波平衡法等，但是对于含有轻微故障的旋转机械动力学，目前研究甚少，而这方面的研究却是当前急需解决的问题。众所周知，旋转机械的轻微故障，带来的不仅是模型的极其复杂(非线性因素增多，甚至动力学方程的维数也会增加)，而且是动力学方程的求解极度困难。目前，急需一套能够系统反映各种轻微故障种类、位置、程度的动力学建模方法，并且发展求解高维、强非线性、多非线性因素耦合的动力学求解方法，最终通过实验对这一类机械系统的动力学问题进行验证以指导工程应用。
国内外关于机械零部件混沌动力学的模型与仿真研究较多，试验研究较少，与会专家一致认为原始创新大多来源于实践和对实验的观察，通过观察建模哪怕是经验模型，获得原始创新的可能性也较大，建议国家各类基金关注非线性动力学实验研究领域的项目。
　　2、  机械系统动力学的精细研究
　　对于机械系统动力学的研究，很多研究者为了方便经常忽略或者简化一些次要和难以处理的因素，如将多种当作线性阻尼处理，只考虑弱非线性系统，忽略系统中的小间隙和摩擦，对系统中的不确定性因素进行弱化处理，对环境中的噪声给定各种假设等。这些假设或者简化在某种程度上能够近似反映系统的动力学特性，并且为机械动力学的工程应用提供了技术指导。但是随着对机械系统的要求越来越高，高速、重载、超轻、高精度、高可靠性等成为了机械系统的新要求，显然已有的研究成果不能完全满足，这就需要我们在这方面进行深入研究。具体来说，主要包括：研究多种工况下阻尼和摩擦的产生机理和成因以建立更加准确的模型，发展并研究强非线性系统的全局和复杂动力学，弱化机械动力学中的各种假设和简化以得到对机械系统更深入全面的理解，发展有效的数值方法和实验方法对这些成果进行验证等。
　　3 、 印刷机械中的动力学问题
　　我国印刷机械的产值约为4500亿，占国民生产总值的2.5%，在我国的工业生产中占有极为重要的地位。由于我国的印刷技术和国外相比非常落后，而国内对印刷要求的质量又很高，因此很多印刷机械主要依靠进口，如打印机、复印机、装订机械等，这些设备的进口占用了我国的大量外汇储备。对印刷机械的研究，一方面需要发展新的、可靠性高的设计技术以设计性能优异的产品，另一方面需要发展先进的制造和加工工艺以满足加工和装配精度要求。同时由于印刷机械工作速度很高，因此又需要发展可靠的运动控制技术和全面的动力学分析理论以指导印刷机械的设计和加工工艺。由于行业限制，目前我国对印刷机械的重视程度不够，今后需要对这方面的研究给予较大的支持力度。
　　4、  汽车-路基耦合系统动力学
　　随着汽车产业的发展、汽车价格的不断下调以及汽车运力的不断增加，我国的汽车产量和销量急剧上升，而随之带来的高速公路路面毁坏问题越来越严重。据不完全统计，京石高速近年来几乎一直处于断断续续的维修之中。一方面，我们需要研究新型的建筑材料来提高路面的强度和承重能力。更重要的是，我们需要全面分析和了解汽车-路面-路基构成的耦合动力系统的特性以找到解决办法。目前，国内对这一方面的研究刚刚开始，国外也有许多研究者注意到了这个问题，如果我们抢在国外研究者的前面掌握汽车-路面-路基构成的耦合系统的动力学特性及相关的解决技术，那么我们就掌握了这一研究方向的制高点，从而为我国的国民经济高速发展提供了运力保证。
　　5、  机械系统轻微(或早期)故障的诊断技术
　　随着我国经济的发展，一系列在极端状况下运行的重大装备将陆续建成并投入使用，例如，燃气轮机机组、大型飞机、空天飞行器、高速轨道交通系统、飞机发动机、超超临界发电机组、通讯卫星、核电装备、微电子封装装备等。上述重大装备在出现轻微故障时，一方面可能出现难以预料的重大事故，对国家财产、人民生命安全和国民经济运行造成重大损失，另一方面则可能导致运行效率不高、寿命减少、精度降低等问题，导致重大经济损失。因此，开展对机械系统轻微故障的诊断技术的研究对减少事故、保障安全、延长寿命、提高效益具有重要的理论意义和实际应用价值，而且开展这方面的研究符合国家的发展战略需求。研究机械系统轻微故障的诊断技术，一方面需要重视和引进国外的先进信号处理和模式识别技术，另一方面需要与动力学理论进行结合以相互指导和验证，从而达到机械系统动力学正反问题的完美结合和工程应用。

　　三、论坛与会者的建议
　　为应对学科发展和国家需求给机械动力学带来的机遇和挑战，与会者建议在适当时机组织国家自然科学基金重大项目和国家基础研究重大计划（973计划），进行复杂机械系统中动力学正反问题及工程应用技术的研究。
现代复杂机械系统是将机、电、液、磁、光等多物理过程耦合于重大装备的复杂物理系统，同时也是将多种关键单元进行技术集成的机电装备。现代复杂机电系统包括各种高速高精度数控装备、大型空天运载工具、大型超超临界汽轮发电机组、大型燃气轮机、高速列车和高性能车辆等，它们的主要特性是高度耦合、结构复杂、功能丰富和运行控制能力十分强大。当前我国制造业和国防工业正处在快速发展时期，正在由制造大国向制造强国转变，需要大量的高科技水平、高功能的重大装备。发展装备制造业是我国的重大战略方针，我国正在进行和将要启动的一系列重大工程都需要由重大装备来实现。例如，百万千瓦级的大型超超临界汽轮发电机组、重型燃气轮机、大型高档高精度数控机床、时速300公里以上的高速机车、大型飞机等。复杂机电系统的发展趋势是功能不断挑战技术极限、服役极限和物理极限，体现出复杂机电系统的控制愈来愈精密化与智能化，安全运行与保障成为系统的关键环节。目前人们所关注的复杂机电系统中的重大科学问题与共性技术问题主要有以下几方面：(1) 复杂机电装备的系统科学问题；(2) 复杂机电系统的建模和试验研究；(3) 复杂机电系统非线性动力学演化过程；(4) 复杂机电系统中的耦合及其接触面的耦合问题；(5) 复杂机电系统中的信息感知与智能控制；(6) 复杂机电系统的集成与设计；(7) 几类典型复杂机电系统中的关键问题等。