序

第一部分总报告

第1章前言

1.1国外装备制造业的发展趋势

1.2我国装备制造业的现状

第2章机械装备中存在的若干非线性动力学问题

2.1高速轨道交通中的非线性动力学问题

2.2大型旋转机械中的非线性动力学问题

2.3航空发动机中的非线性动力学问题

2.4大型风力机中的非线性动力学问题

2.5高超声速飞行器中的非线性动力学问题

2.6储液罐中的非线性动力学问题

2.7航天飞行器中的非线性动力学问题

第3章机械装备中的非线性动力学与控制技术的现状与分析

3.1主要成就与贡献

3.2存在的问题与发展方向

3.3提高我国机械装备中非线性动力学与控制技术的建议与措施

第二部分分报告

第1章铁道车辆动力学与控制调研报告

1.1铁道车辆系统的动力学

1.1.1轨道模型

1.1.2车体模型

1.1.3整车模型

1.1.4小结与展望

1.2轮轨接触问题

1.2.1轮轨接触方程的建立

1.2.2蠕滑问题

1.2.3磨耗问题研究

1.2.4轮轨接触对车辆性能的影响

1.2.5实验验证

1.2.6小结和展望

1.3悬挂系统控制

1.3.1二系悬挂系统

1.3.2倾摆系统

1.3.3一系悬挂系统

1.3.4小节与展望

1.4发展趋势

参考文献

第2章大型旋转机械动力学的研究现状及发展趋势

2.1概述

2.2非线性转子动力学研究方法及国内外发展概况

2.2.1非线性转子动力学研究的一般方法

2.2.2非线性油膜力模型

2.2.3动压密封力

2.2.4求解非线性转子动力学问题的数值积分方法

2.2.5滚动轴承、扭转振动、非对称转子及油膜失稳后的疲劳强度分析

2.2.6大型转子—轴承系统高维非线性动力学问题的降维求解

2.3转子系统非线性动力学设计及稳定性

2.3.1转子系统非线性动力学行为的机理研究和实验研究

2.3.2高速转子—轴承系统的非线性动力学设计

2.3.3轴系非线性稳定性分析方法

2.4非线性转子动力学研究中存在的问题及展望

2.5国内外燃气轮机研究现状及发展趋势

2.5.1国外燃气轮机的研究现状和发展趋势

2.5.2国内燃气轮机的研究现状和发展趋势

2.5.3燃气轮机的发展目标及其重点

参考文献

第3章航空发动机的动力学与故障诊断

3.1航空发动机转子的动力学失稳研究

3.1.1密封流体激振

3.1.2挤压油膜阻尼器的稳定性

3.2航空发动机转子结构机械故障动力学研究

3.2.1转静碰摩故障

3.2.2热弯曲故障

3.2.3叶片振动

3.2.4松动故障

3.2.5疲劳裂纹

3.2.6双转子结构故障

3.2.7滚动轴承故障

3.2.8机动飞行的影响及整机振动

3.3航空发动机的故障诊断

3.3.1故障诊断研究现状

3.3.2基于非线性动力学的故障诊断原理

3.3.3故障中的信号降噪方法

3.4结论

参考文献

第4章大型风电装备设计及运行中的动力学与控制

4.1风电产业与我国的能源安全息息相关

4.1.1发展风电产业符合国家的中长期规划

4.1.2风电装备国产化面临的问题和挑战

4.1.3科学意义与主要挑战

4.1.4对国民经济的作用

4.2国内外风电装备的研究现状和发展趋势

4.2.1大型风力机传动系统的动力学理论

4.2.2复杂环境中风电装备的失效机理与故障诊断方法

4.2.3复杂工况下机械系统的可靠性增长策略

4.2.4风力机组的振动控制与消噪技术

4.3大型风电装备设计及运行中的关键科学问题

4.3.1复杂载荷作用下大型风力机的动力学行为与设计原理

4.3.2复杂环境中风电装备的状态演化与失效机理

4.3.3复杂工况条件下机械系统的可靠性增长策略

4.3.4叶片及传动系统的振动控制

4.4需要解决的主要突破点

参考文献

第5章高超声速与变形机翼技术综述

5.1近空间飞行器对高超声速和变翼技术的需求

5.2高超声速技术发展及现状

5.2.1高超声速定义及特性

5.2.2高超声速技术应用的发展

5.2.3高超声速再入飞行的飞行力学问题

5.2.4高超声速推进技术

5.2.5高超声速技术的实验实施

5.2.6高超声速关键基础理论

5.3变形机翼

5.3.1变形机翼的仿生思想及应用背景

5.3.2变形机翼发展史

5.3.3近代几种典型可变形飞机介绍

5.3.4变形机翼关键技术

5.4高超声速和变翼技术的展望

参考文献

第6章储液罐动力学与控制

6.1引言

6.2储液罐类液体晃动动力学

6.2.1储液罐类液体晃动研究的解析方法

6.2.2储液罐类液体大幅晃动研究的数值方法

6.3液体晃动等效力学模型研究

6.4储液罐多体系统动力学与控制研究

6.4.1车载储液罐系统动力学研究

6.4.2船载储液罐系统动力学研究

6.4.3充液航天器固—液—控耦合动力学研究

6.5未来研究方向展望

参考文献

第7章太阳帆飞行器轨道控制研究

7.1引言

7.2太阳帆飞行器局部最优控制

7.2.1局部最优控制在星际转移轨道中的应用

7.2.2局部最优控制在逃逸行星引力场中的应用

7.3星际时间最优轨道转移

7.3.1时间最优控制理论

7.3.2求解方法

7.3.3算例

7.4不变流形轨道转移

7.4.1地球到人工拉格朗日点的不变流形转移

7.4.2人工拉格朗日点之间的不变流形转移

7.4.3平衡点与周期轨道之间的转移

参考文献2100433B

本书是由5位院士和动力学与控制方面的多位专家、教授参与的中国工程院机械与运载学部关于“提高我国机械装备产品品质的若干关键共性技术调查研究”项目的调查研究成果。其内容涉及机械装备的非线性动力学、振动与控制、设计技术、故障诊断、健康管理与智能维修决策技术方面的相关内容。本书详细阐述了我国装备制造业的发展现状和存在问题，进一步阐述了涉及航空航天飞行器、高速铁路机车车辆、公路运输机械、大型风力发电机、大型旋转机械、航空发电机等机械装备的非线性动力学与振动控制的研究现状以及基础理论和方法应用于机械装备时存在的问题，指出了非线性动力学与控制基础理论研究在我国机械装备产品自主创新中的作用与发展方向。

本书是从事动力学与控制研究的专业人员及科研工作者，学习研究动力学与控制基础理论、提高机械装备设计水平的重要指导书。

装备制造业是我国国民经济发展重要的支柱性产业，是事关国家经济安全及综合国力的战略性产业。我国装备制造业经过改革开放以后近三十年的建设，特别是进入21世纪后，我国装备制造业有了突飞猛进的发展。产业技术水平不断提高，某些方面达到了国际先进水平；产品在数量快速增长的同时，质量也有相应的提高。但与装备制造业强国相比，我国制造业还存在较大的差距。

我国装备制造业技术创新能力还十分薄弱，有自主知识产权的产品少，依附于国外企业的组装产品比重大，很多产品的品牌、关键技术和销售渠道掌握在跨国公司手里，知识产权矛盾越来越突出。而且，随着我国装备制造业的快速发展和技术进步，一些工业发达国家对我国的戒心不断增强，发达国家为了保持自身的竞争力和国际领先地位，他们对我国在高技术领域实行了各种各样的禁运和封锁手段。

目前，我们国家十分重视装备制造业发展。装备制造业是技术创新的主要载体和平台，是建设创新型国家的重要组成部分。因此，如何按照科学发展观的要求，使装备制造业的发展在已取得成绩的基础上逐步消除存在的问题，实现可持续发展是摆在我国科技工作者面前紧迫而尖锐的任务。

中国工程院咨询项目《提高我国机械装备产品品质的若干关键共性技术调查研究》（简称“咨询项目”，下同）是中国工程院机械与运载工程学部于2007年启动的一个咨询项目，前后历时四年。期间参加咨询研究工作的先后有陈予恕院士、黄文虎院士、刘仁怀院士、高金吉院士、闻邦椿院士以及许多相关专家学者。咨询项目组分成八个分组，分别调查了机械装备领域的七个行业中存在的一些关键共性技术问题。七个行业分别是：高速轨道交通机械、大型旋转机械、航空发动机、大型风力机、高超声速飞行器和储液罐及航天飞行器。并到相关的生产企业和研究所进行了调研。主要调研的单位有：上海成套设备研究院、上海汽轮机厂、杭州汽轮机厂、沈阳606研究所、沈阳黎明机械厂、哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂、东安发动机有限公司、航天五院五零一部、石家庄军械工程学院、装甲兵工程学院、北方车辆研究所、航天第三研究院、哈尔滨飞机工业集团有限公司、哈尔滨轴承集团公司、航天第七研究院、机械科学研究院、铁道科学研究院等近二十个企业和科研院所。调查结果形成了一个总报告和七个分报告。其中，总报告由哈尔滨工业大学陈予恕、曹登庆撰写；分报告《铁道车辆动力学与控制调研报告》由石家庄铁道大学杨绍普撰写；分报告《大型旋转机械动力学的研究现状及发展趋势》由哈尔滨工业大学陈照波、焦映厚撰写；分报告《航空发动机的动力学与故障诊断》由天津大学丁千撰写；分报告《大型风电装备设计及运行中的动力学与控制》由清华大学楮福磊撰写；分报告《高超声速与变形机翼技术综述》由北京工业大学张伟、杨晓东撰写；分报告《储液罐动力学与控制》由北京理工大学岳宝增撰写；分报告《太阳帆飞行器轨道控制研究》由清华大学龚胜平、李俊峰、宝音贺西撰写。

调查过程中，得到相关单位以及各领域的许多专家学者的鼎力支持，所有参加调查的同志在这四年当中都进行了艰难但是卓有成效的合作，没有这些支持与合作，就不可能有这本书。所以，这里首先要对大家所给予的支持与合作表示衷心的感谢。

机械装备产品中存在的关键共性技术包含的内容非常广泛，咨询项目从一开始就将重点集中在机械装备的非线性动力学故障及其机理的研究上，同时也关注非线性动力学理论的发展及其在机械装备领域的应用，以及非线性动力学与控制技术对提高机械装备产品的精度、稳定性、耐用性、安全性、可靠性、延长工作寿命等性能指标和提高我国机械装备产品品质和国际品牌竞争力所起到的关键作用。

调查显示，非线性动力学故障广泛存在于机械装备产品中。现代机械装备系统中存在各种非线性因素，如：来自系统的物理的（材料的非线性本构关系）、几何的（弹性变形几何关系产生的非线性）、结构的（间隙、塔形弹性元件等）、耗散的（结构阻尼、干摩擦以及高速流体阻尼等）、运动的（惯性的、冲击的、机构中变传动比运动引起的质量、刚度的周期性变化），以及搞合的（机电、流固、声与结构）等各种力学因素引起的非线性。

非线性因素为系统带来了一系列线性系统所没有的动力学现象，在单自由度系统中这些现象包括：多解、跳跃、极限环、亚谐共振和超谐共振、概周期解、周期解分岔和动态分岔，以及混沌运动等。在多自由度系统中，除上述现象外，还有内共振、纽合共振、模态相互作用（能量在模态之间的转移）以及这些特殊条件下的复杂动力学行为。这些现象都是由非线性系统解的失稳而导致的，如果对这种失稳不加以有效的控制，就可能导致系统故障的出现。

非线性动力学与控制技术的发展与成熟为机械装备中广泛存在的非线性动力系统的研究，如预测其长期的动力学行为，揭示其内在的规律性，提出改善机械装备系统的品质及控制策略，提高机械装备的稳定性和安全性等提供了强有力的理论保证。目前，我国学者已经开展了动力学系统的动态失稳机理研究，并在设计阶段对其动力学参数进行控制（非线性动力学设计），从而对运行阶段即将发生的动力学故障进行预测和控制，最终达到对动力学故障在弄清机理的基础上进行治理。

如果解释变量X的单位变动引起因变量的变化率

非线性模型的一般形式是：

施工机械装备分析是施工企业机械装备水平变化对施工工作量的影响及其原因分析，为提高施工企业机械装备水平、挖掘施工潜力提供科学依据。

施工机械装备水平的分析，以设备运转计划、设备实际运行记录及生产任务完成情况为依据，采用对比法，将实际价值装备率，动力装备率和平均能力与它们的计划数或上年同期数值进行对比，观察其变化及存在的问题。影响施工机械装备水平的原因很多，如设备采购计划的完成情况、机械设备的配套状况、施工机械更新速度等。2100433B

建筑机械装备程度亦称“建筑机械装备系数”或“建筑机械装备率”。在一定时期内 (通常为一年)施工单位每一生产劳动者平均拥有的建筑机械设备的数量。机械装备程度指标，按其用来表明机械设备总量的指标不同，一般有两种，即劳动技术装备率，也称劳动技术装备系数，是施工单位每一生产劳动者平均拥有的建筑机械设备的价值;劳动动力装备率，又称劳动动力装备系数，它是每一生产劳动者平均拥有的建筑机械设备的动力数。式中，“施工单位自有机械设备”，是指该单位有所有权并列入固定资产的、处于不同技术状况的各种生产用机械设备，包括其自用的和出租或出借给外单位使用的施工机械、附属辅助生产设备和运输设备等，但不包括非生产用设备以及从外单位租人和借入的生产用机械设备。

自有机械设备的价值可分别按原值和净值计算。鉴于机械设备在报废前，其价值通过折旧面不断减少，但它基本上仍可保持其原来的使用价值和生产能力，因此，用机械设备原值计算劳动技术装备率，比之用净值计算，可更确切地反映劳动者所平均拥有的机械设备的数量。自有机械设备的总动力数，包括机械设备本身的动力数，以及不属机械设备组成部分但为它们服务的单独动力设备 (如电动机等) 的动力数，但电焊机、变压器、锅炉等设备通常不计算动力数。机械设备的动力按设计能力或查定能力计算，并统 一用马力数表示。施工单位的职工平均人数，包括全部固定职工、合同制职工、临时职工和计划外职工的平均人数，而且根据观察的目的不同，可以计算全部职工的技术装备率和动力装备率，也可仅计算全部工人或建筑安装工人的技术装备率和动力装备率。2100433B