旋转机械非线性动力学研究 [Nonlinear Dynamics of Rotating Machinery] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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姚德臣 著

图书标签:

• 旋转机械
• 非线性动力学
• 振动
• 故障诊断
• 动力学分析
• 建模
• 仿真
• 实验研究
• 稳定性
• 控制

出版社： 北京理工大学出版社

ISBN：9787568246637

版次：1

商品编码：12322650

包装：平装

外文名称：Nonlinear Dynamics of Rotating Machinery

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：167

字数：175000

正文语种：中文

内容简介

　　《旋转机械非线性动力学研究》主要介绍旋转机械非线性动力学。全书共分7章，分别介绍了旋转机械非线性动力学的意义与现状；旋转机械结构和振动机理分析；分岔与混沌；非线性动力系统的数值分析；轴承非线性动力学分析；齿轮非线性动力学分析；转子非线性动力学分析等内容。
　　《旋转机械非线性动力学研究》可供高等院校、研究院所以及企业中从事旋转机械非线性动力学等相关研究领域的科技人员使用参考。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 研究意义
1．2 国内外研究现状
1．3 本书主要研究内容

第2章 旋转机械结构和振动机理分析
2．1 轴承结构分析和振动机理
2．2 齿轮系统结构分析和振动机理
2．3 转子系统结构分析和振动机理

第3章 分岔与混沌
3．1 分岔概述
3．2 静态分岔与动态分岔
3．3 分岔问题的研究方法
3．4 混沌概述
3．5 耗散系统与奇怪吸引子
3．6 分析混沌的方法

第4章 非线性动力系统的数值分析
4．1 瞬态运动计算
4．2 稳态运动计算
4．3 局部分岔的计算
4．4 全局特性的计算
4．5 混沌的统计分析

第5章 轴承非线性动力学分析
5．1 轴承振动模型
5．2 径向游隙的影响
5．3 转速的影响
5．4 载荷的影响
5．5 表面波纹度激励下的轴承振动模型

第6章 齿轮非线性动力学分析
6．1 齿轮系统激励参数解析
6．2 齿轮啮合动力学分析
6．3 含齿面摩擦齿轮啮合动力学分析

第7章 转子非线性动力学分析
7．1 转子系统碰摩故障非线性动力学
7．2 转子系统松动故障非线性动力学
7．3 转子系统裂纹故障非线性动力学
7．4 转子系统碰摩混沌系统的自适应控制研究
7．5 转子系统松动混沌系统的自适应控制研究
7．6 转子系统裂纹混沌系统的自适应控制研究

参考文献

前言/序言

　　机械设备中大部分都是旋转机械，它覆盖了电力、化工、冶金、机械制造等重要工程领域。旋转机械运行速度一般较高，且往往是工厂的关键设备，如发电机、汽轮机、鼓风机、大型轧钢机等，其工况状态不仅影响该机器设备本身的安全稳定运行，而且会对后续生产造成直接影响，故障严重时会造成重大经济损失，甚至导致机毁人亡的事故。旋转机械在本质上说都属于非线性动力系统。当旋转机械的参数发生微小变化时，系统中存在的复杂非线性因素之间会产生一定程度的耦合、多频激励及运动耦合，往往会引起系统的运动特性发生本质的变化，导致复杂系统响应——自激振动、多解现象、拟周期运动和混沌等运动的发生。此时无法再使用经典的非线性振动理论来研究这些变化因素对系统动态行为的影响，因此需要采用现代非线性动力学理论来揭示旋转机械系统故障机理以及存在的各种非线性动力学行为，从而进一步分析研究系统存在的各种实际问题，这对提高旋转机械运行的稳定性、安全性、可靠性具有重要的工程应用价值。基于上述状况，笔者撰写了这本阐述旋转机械非线性动力学研究方面的技术专著。
　　本书主要介绍旋转机械非线性动力学。主要内容及章节安排如下：第1章介绍了旋转机械非线性动力学研究的意义、现状以及本书的研究内容：第2章介绍了旋转机械结构和振动机理，并在此基础上介绍了旋转机械的故障形式及产生原因；第3章介绍了分岔与混沌，为旋转机械非线性动力学分析提供了支撑；第4章介绍了非线性动力系统的数值分析方法；第5章建立了轴承非线性动力学模型，并分析了不同参数对轴承系统的影响；第6章建立了齿轮非线性动力学模型，并分析了不同参数对齿轮系统的影响；第7章建立了不同故障类型下转子非线性动力学模型，分析了不同故障形式下转子外在表现特征，并应用自适应控制法将不同故障类型下转子密封系统在外界干扰情况下引起的混沌状态，自适应地调整到正常工作状态。
　　本书的研究成果得到了一些国家科研项目的支持，其中特别感谢长城学者培养计划项目（CIT&TCD20150312;）、国家自然科学基金（51605023）、国家重点研发计划课题“城市轨道系统安全保障技术”（2016YFB1200402-015）和北京建筑大学英才培养计划课题的资助。
　　特别感谢北京建筑大学杨建伟老师、太原科技大学殷玉枫老师、北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心李熙高工在笔者编写本书时给予的指导与帮助。
　　感谢北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心张骄，北京建筑大学李欣、王金海、白永亮、武慧杰、吕中和、邱星慧、孙冉、刘传、聂春萌等在文字处理方面给予的帮助。
　　在编写本书时，参考了国内外发表的相关文章、资料和书籍，在此表示诚挚的谢意。
　　本书虽经过反复修改和校对，但由于时间、水平有限，书中难免有不足和遗漏之处，欢迎广大读者和专家批评指正。

旋转机械非线性动力学研究 [Nonlinear Dynamics of Rotating Machinery] 概述 旋转机械是现代工业和社会运行的基石，从驱动我们出行的汽车、火车、飞机，到为我们的生活提供动力的发电机组，再到精密制造领域的高速机床，它们的身影无处不在。然而，在这些庞大而复杂的系统中，单纯的线性理论往往不足以描绘其真实的运行状态。当运行速度、负载、制造误差、外部激励等因素达到一定程度时，旋转机械的动力学行为会展现出复杂的非线性特性，这不仅可能导致性能下降、效率损失，甚至可能引发灾难性的故障。 本书《旋转机械非线性动力学研究》正是聚焦于这一复杂而重要的领域。它深入探讨了旋转机械在非线性条件下的动力学行为，旨在为读者提供一个全面、系统且深入的理解框架。本书不局限于单一的理论模型或分析方法，而是将目光投向了实际应用中的各种非线性现象，并提供了解决这些问题的理论工具和技术指导。 研究背景与意义 传统上，许多旋转机械的动力学分析依赖于线性化模型。这种方法在机械系统处于低速、小幅度振动状态时是相当有效的，能够准确预测系统的固有频率、振动模式等关键参数。然而，随着现代工业对设备性能要求的不断提高，旋转机械的运行速度越来越快，负载也越来越重，制造精度虽然在提升，但微小的制造误差、不对中、不平衡等因素都可能被放大，从而引入显著的非线性效应。 非线性现象在旋转机械中表现得尤为突出，例如： 接触非线性： 轴承、齿轮、叶片等部件之间的接触力往往是非线性的。例如，球轴承和滚子轴承的接触具有赫兹（Hertz）非线性，齿轮啮合中的齿面接触也存在复杂的非线性关系。 材料非线性： 即使是看似坚固的材料，在应力超过弹性极限或在高温、高压环境下，也会表现出非线性的应力-应变关系。 结构非线性： 旋转件的形状变化（如涡轮叶片在离心力下的变形）、支撑结构的非线性特性（如柔性支架、不均匀的支撑刚度）都会引入非线性。 系统耦合非线性： 旋转件与静止部件之间的耦合、流固耦合、热固耦合等复杂的相互作用，也常常表现为非线性。 外部激励非线性： 周期性或随机性的外部激励，如果其幅值较大或与系统固有频率接近，也可能触发非线性响应。 这些非线性因素的引入，可能导致一系列复杂而难以预测的动力学现象，包括： 多解性与跳频： 系统可能存在多个稳定工作点，或者在特定激励下发生突变，响应频率突然改变。 分岔与混沌： 随着参数（如转速、负载）的改变，系统的运动状态可能发生剧烈的、不可预测的转变，甚至进入混沌状态，即对初始条件极其敏感，长期预测变得不可能。 共振区的展宽与偏移： 传统的线性共振理论将失效，共振区的幅度和频率位置会发生变化，甚至出现“软共振”和“硬共振”。 损伤诊断的复杂化： 故障特征（如不平衡、不对中）在非线性条件下可能不再是简单的谐波，而是表现为更复杂的频谱，给故障诊断带来挑战。 振动传递与放大： 非线性可能导致某些频率的振动被意外放大，或者通过非线性耦合传递到其他部件。 因此，对旋转机械非线性动力学的深入研究，不仅是理论上的挑战，更是解决实际工程问题的迫切需求。理解和掌握这些非线性现象，能够帮助工程师更准确地预测机械系统的性能，设计出更稳定、更可靠、更高效的旋转机械，并开发出更有效的故障诊断和状态监测技术，从而降低维护成本，提高运行安全性。 本书内容梗概 本书旨在系统地梳理和阐述旋转机械非线性动力学的核心理论、分析方法和应用实践。全书内容围绕以下几个关键方面展开： 第一部分：理论基础与建模 非线性系统基本概念： 介绍非线性动力学中的基本术语和概念，如非线性方程、平衡点、稳定性、相空间、吸引子等。 旋转机械的数学建模： 重点讲解如何建立能够反映非线性特性的旋转机械动力学模型。这包括： 自由度选择与简化： 根据具体问题，选择合适的自由度数量，并对复杂系统进行必要的简化。 非线性力模型的建立： 详细介绍不同类型非线性力的数学表达，例如： 接触非线性模型： 如赫兹接触模型、摩擦力模型、间隙模型等。 材料非线性模型： 如塑性、滞后等。 阻尼非线性模型： 如平方阻尼、库仑摩擦阻尼等。 几何非线性模型： 如大变形、曲率变化等。 旋转效应的引入： 考虑科里奥利力、离心力等对系统动力学的影响。 多体动力学方法： 在建模复杂多部件耦合系统时，将介绍多体动力学（MBD）方法在非线性分析中的应用。 非线性振动分析基础： 介绍解析方法和数值方法在求解非线性方程组中的初步应用。 第二部分：非线性现象与分析方法 非线性现象的识别与分类： 多解性与稳定性分析： 如何通过分岔图、相轨迹、庞加莱截面等工具分析系统的多解性和稳定性。 共振现象的非线性特性： 深入探讨软共振、硬共振，以及共振曲线的形状变化。 周期解、准周期解与混沌： 分析系统可能出现的各种复杂运动模式。 共振区外非线性效应： 讨论即使不在共振区，非线性因素也可能对系统响应产生重要影响。 解析分析方法： 摄动法、平均法、多尺度法： 介绍这些经典解析方法如何用于近似求解非线性振动方程，尤其是在小参数扰动下。 李雅普诺夫稳定性理论： 用于分析非线性系统的全局和局部稳定性。 数值模拟与分析方法： 常微分方程数值求解器： 如龙格-库塔法（Runge-Kutta）、牛顿-拉弗森法（Newton-Raphson）等，用于求解非线性方程组。 频域分析方法： 介绍在非线性系统中如何进行频域分析，例如： 谐波平衡法（Harmonic Balance Method, HBM）： 用于求解周期性稳态响应。 随机响应分析： 考虑随机激励下的非线性系统响应。 时域仿真： 通过直接积分求解非线性方程组，观察系统随时间演化的行为。 非线性模型降阶技术： 针对高维非线性系统，介绍如何通过降阶技术简化计算模型，同时保留关键的非线性特性。 第三部分：旋转机械中的典型非线性问题与应用 转子动力学中的非线性： 轴承非线性： 弹性流润滑轴承、球轴承、滚子轴承的非线性特性，以及它们对转子系统稳定性的影响。 转子与支架的接触与碰撞： 探讨转子在间隙中运动时的碰撞现象及其引起的非线性响应。 转子不对中与不平衡的非线性效应： 分析不对中和不平衡在非线性系统中产生的复杂响应。 齿轮传动系统非线性： 齿面接触非线性： 齿轮啮合过程中的弹性变形、间隙、润滑等引起的非线性。 齿轮不对中与制造误差： 分析这些因素如何导致振动和噪声的非线性变化。 齿轮系统的共振与混沌： 探讨齿轮系统可能出现的复杂动力学行为。 叶轮机械的非线性： 涡轮叶片与外壳的碰撞： 探讨叶片在振动过程中与外壳发生的非线性碰撞。 叶片颤振与非线性： 分析在非线性条件下可能出现的复杂颤振模式。 流固耦合的非线性效应： 考虑流体动力对叶片动力学行为的影响。 驱动与控制系统的非线性： 电机与传动链的非线性： 分析电磁力、机械传动中的非线性对系统性能的影响。 反馈控制策略对非线性系统的影响： 探讨如何设计有效的控制器来抑制或利用非线性效应。 第四部分：故障诊断与状态监测 非线性特征提取： 时频分析技术在非线性系统中的应用： 如小波变换（Wavelet Transform）、经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）及其变种，用于揭示非线性系统中的瞬时特性和模态。 非线性特征参数： 如熵、近似熵（Approximate Entropy, ApEn）、样本熵（Sample Entropy, SE）、互信息（Mutual Information）等，用于量化非线性系统的复杂度和不确定性。 基于非线性动力学的故障诊断方法： 利用非线性响应特征诊断故障： 识别非线性共振、分岔、混沌等现象与特定故障之间的关联。 模型驱动的故障诊断： 基于非线性模型，通过比较仿真结果和实际测量数据来识别故障。 状态监测与早期预警： 利用非线性分析技术，实现对旋转机械早期故障的检测和预警。 第五部分：实验验证与工程实践 典型旋转机械非线性现象的实验研究： 介绍相关的实验装置和测试方法，通过实验验证理论分析结果。 案例分析： 选取实际工程中出现的旋转机械非线性问题，展示如何运用本书介绍的理论和方法进行分析和解决。 未来研究方向与挑战： 展望旋转机械非线性动力学领域的未来发展趋势，例如机器学习在非线性动力学分析中的应用，以及更加精密的非线性建模技术。 结论 《旋转机械非线性动力学研究》一书，将理论的深度与实践的广度相结合，为读者构建了一个关于旋转机械非线性动力学的完整知识体系。本书不仅能帮助研究人员和工程师深入理解旋转机械中普遍存在的非线性现象，更能提供切实有效的分析工具和解决问题的思路。通过掌握这些知识，读者将能够更精准地预测机械系统的行为，更有效地进行设计和优化，更可靠地进行状态监测和故障诊断，最终推动旋转机械技术的进步，为工业界和社会发展做出更大的贡献。本书适合机械工程、动力学与控制、航空航天、汽车工程等领域的专业人士、研究生以及对旋转机械动力学感兴趣的工程师阅读。

评分☆☆☆☆☆

《旋转机械非线性动力学研究》这个书名，对我来说，简直就是打开了一扇探索未知世界的大门。我一直以来都对机械系统内部那些微妙而又深刻的动力学变化着迷，尤其是当这些变化超出了我们习惯性的线性思维范畴时，更是充满了吸引力。旋转机械，作为现代工业的基石，其高速、高负荷的运行环境，自然而然地孕育了无数非线性动力学的“黑匣子”，而我渴望找到一把钥匙来解锁它们。 我非常期待书中能够细致入微地描绘出非线性现象的“面貌”。比如，那些看似微小的初始扰动，是如何在旋转过程中被放大，最终导致系统进入混沌状态的？又或者，书中是否会探讨不同类型的非线性阻尼器，是如何巧妙地利用能量耗散的原理，来抑制这些不利的非线性振动的？我希望书中能提供清晰的物理图像和生动的数学描述，帮助我直观地理解这些复杂的动力学行为。 更吸引我的是“研究”这个词，它预示着这本书不仅仅是知识的堆砌，更有可能是对前沿问题的探索和解答。我热切地希望书中能包含一些作者独到的见解，例如，对于某些特殊类型的旋转机械，如柔性转子、压电驱动转子等，它们所特有的非线性动力学问题，以及相应的解决策略。我也希望书中能够指导如何进行有效的实验设计，以验证这些复杂的非线性理论。 我坚信，一本真正意义上的研究型书籍，应该能够激发读者的独立思考，并为其提供进一步探索的线索。我期待这本书能让我接触到最新、最权威的学术观点，并对该领域的研究现状有一个全面的认识。它应该能够引导我思考“为什么会这样？”以及“还有没有更好的方法？”，从而真正提升我的科研能力。 总而言之，《旋转机械非线性动力学研究》这本书，对我而言，不仅仅是一本教科书，更是一位经验丰富的导师。它将带领我深入旋转机械的非线性世界，帮助我理解那些隐藏在复杂表象之下的深刻规律，并为我在未来的学习和研究道路上，提供源源不断的动力和启迪。

评分☆☆☆☆☆

《旋转机械非线性动力学研究》这个书名，一下子就抓住了我对精密机械动力学研究的兴趣点。在工业界，很多核心设备都离不开旋转部件，而这些部件在高速运行过程中，往往会暴露出一些非线性的动态特性，这些特性如果不被充分理解和控制，很容易导致设备性能下降，甚至发生故障。我一直在寻找一本能够系统介绍这方面知识的权威著作。 这本书的书名暗示着它将深入探讨非线性现象在旋转机械中的表现，我尤其关注那些可能导致共振、混沌或突然失稳的非线性行为。例如，在涡轮机、泵、风力发电机等设备中，叶片与流体的相互作用、轴承的非线性特性、转子与定子的接触等，都可能引发复杂的非线性动力学问题。我希望书中能对这些具体的应用场景进行深入的分析，并提供有效的分析工具和方法。 我很期待书中能够详细讲解非线性动力学的基本理论，如李雅普诺夫稳定性、分岔分析、庞加莱截面等，并且说明这些理论是如何应用于旋转机械的。同时，我也希望书中能介绍一些先进的数值仿真技术，例如有限元方法、多体动力学仿真等，以及如何利用这些技术来模拟和预测旋转机械的非线性行为。 对于“研究”这个词，我理解这本书可能包含一些作者自己的研究成果和创新性的方法。我非常希望书中能提供一些具体的案例研究，展示作者是如何通过理论分析、数值仿真和实验验证来解决实际的非线性动力学问题的。这些案例将有助于我更好地理解理论知识的应用，并为我自己的研究提供借鉴。 总的来说，我将这本书视为一本能够帮助我深入理解旋转机械复杂动力学行为的宝贵资料。它不仅能够提升我的理论素养，更能在实际工程应用中为我提供有力的指导，让我能够更好地设计、诊断和维护旋转机械设备。

评分☆☆☆☆☆

《旋转机械非线性动力学研究》这个书名，简直是为我量身定做的。我长期以来一直关注着机械工程领域，特别是那些涉及高速运转和复杂交互作用的系统。旋转机械，无论是在航空航天、能源还是制造行业，都是不可或缺的关键设备。然而，这些设备在实际运行中，往往会表现出一些难以用传统线性动力学理论解释的复杂行为，这让我对“非线性动力学”这个方向产生了浓厚的兴趣。 我非常期待在这本书中找到对各种非线性现象的系统性梳理。比如，我很好奇书中会如何阐述转子不平衡、不对称、轴承间隙、齿轮啮合非线性等因素是如何影响旋转系统的动力学特性的。更重要的是，我希望了解这些非线性行为是如何导致例如涡动、共振、混沌等现象的，以及这些现象会给旋转机械带来怎样的危害。 我也对书中可能提供的分析工具和方法感到兴奋。非线性系统的分析往往比线性系统要复杂得多，需要借助更先进的数学工具和计算方法。我希望书中能详细介绍诸如分岔理论、混沌理论、相空间分析、数值仿真等技术，并且说明如何有效地应用这些工具来理解和预测旋转机械的非线性行为。 furthermore, the title implies a research-oriented approach, which suggests the book might present novel findings and cutting-edge methodologies. I am particularly keen to discover if the book includes case studies or experimental validations that demonstrate the application of these theories in real-world scenarios. Such practical examples would greatly enhance my understanding and provide valuable insights into problem-solving in this domain. In essence, I view this book as a crucial resource that will deepen my understanding of the intricate dynamics of rotating machinery. It promises to equip me with the theoretical knowledge and analytical skills necessary to tackle complex nonlinear phenomena, ultimately contributing to the safer and more efficient operation of these vital engineering systems.

评分☆☆☆☆☆

这本《旋转机械非线性动力学研究》的书名，让我联想到很多现实生活中那些看似稳定却暗藏玄机的机械设备。想想那些大型发电机组、直升机旋翼，它们在高速运转时，内部的力学行为该是多么的复杂。我一直对那些影响设备稳定性的“隐患”很感兴趣，特别是当这些隐患源于一些看似微不足道的非线性因素时，其后果往往会比我们想象的要严重得多。 我特别好奇书中会如何描绘那些“非线性”的具体表现形式。比如，当一个转子系统因为不平衡载荷而产生涡动时，它的运动轨迹会是怎样的？它会不会在某个临界转速下突然变得非常不稳定，甚至引发灾难性的损坏？我希望书中能提供一些清晰的图示和生动的案例，来帮助我理解这些抽象的理论概念。 我也很想知道，作者是如何将复杂的物理现象抽象成数学模型，并进行分析的。非线性系统的数学描述本身就充满了挑战，再加上旋转机械本身就具有多自由度、耦合等特点，这其中的难度可想而知。我期待书中能有一些关于模型建立的思路和方法，以及在求解这些非线性方程组时可能遇到的困难和突破。 此外，对于“研究”这两个字，我更倾向于认为这本书会提供一些前沿的研究成果和方法。如今的科技发展日新月异，旋转机械的应用场景也在不断拓展，新的非线性问题层出不穷。我希望这本书能给我带来一些新的视角和启发，让我了解当前该领域的研究热点和发展趋势。 总的来说，这本书的出现，对我来说，不仅仅是一次知识的获取，更是一次思维的拓展。它让我有机会深入探究那些隐藏在复杂现象背后的本质规律，并从中获得解决实际问题的智慧和方法。我期待这本书能够成为我理解旋转机械动力学领域的一本重要参考。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《旋转机械非线性动力学研究》着实吸引了我，身为一名对机械工程领域颇感兴趣的读者，我对非线性动力学这个方向一直抱有浓厚的兴趣。尤其是在旋转机械这类普遍存在于工业生产和交通运输中的关键设备中，非线性现象更是层出不穷，直接影响着设备的性能、寿命乃至安全性。我一直在寻找一本能够系统性地梳理这些非线性现象，并提供严谨的理论分析和解决思路的著作。本书的书名恰好点明了这一点，让我对其内容充满了期待。 想象一下，当高速旋转的叶片因为微小的制造误差或者材料疲劳而产生不规则的振动，当齿轮啮合的间隙在高速运转下引发周期性的冲击，这些都是非线性动力学在旋转机械中生动的体现。我特别希望能在这本书里找到对这些具体现象的深入剖析，例如，作者是如何将复杂的非线性微分方程模型化，如何运用诸如分岔理论、混沌理论、李雅普诺夫指数等现代动力学工具来揭示这些看似随机但实则遵循一定规律的运动行为。 我非常期待书中能够详细阐述非线性现象的根源，是材料本身的非线性特性？是结构上的不对称性？还是运行工况的剧烈变化？理解了这些根源，才能更好地进行设计优化和故障诊断。同时，我也希望书中能够给出一些针对性的控制策略，例如如何通过改变结构参数、施加外部激励或者采用智能控制方法来抑制不利的非线性振动，甚至利用某些非线性特性来提升设备的整体性能。 从书名中“研究”二字，我推测这本书可能不仅仅停留在理论层面，更会包含相关的实验验证或数值模拟分析。我渴望看到作者是如何通过精密的实验装置来复现理论模型中的非线性现象，如何通过高精度的传感器捕捉复杂的振动数据，以及如何利用强大的数值计算平台来模拟不同工况下的系统响应。这些实践性的内容对于我这样的读者来说，能够极大地增强理论知识的可信度和实用性。 总而言之，《旋转机械非线性动力学研究》这本书的出现，对于我而言，就像是打开了一扇通往更深层次理解旋转机械运行奥秘的大门。我深信，通过阅读这本书，我将能够更深刻地认识到非线性动力学在现代工程技术中的重要性，并为今后在相关领域的学习和研究打下坚实的基础，从而能够更有效地解决实际工程中遇到的复杂动力学问题。