不畏浮云遮望眼 開花結果倚學研

黨的十八大報告把“實施創新驅動發展戰略”放在加快轉變經濟發展方式部署的突出位置，這無疑需要培養大批高水平的工程科技人才。

陳予恕院士是我國工程非線性動力學專家。他首次提出了非線性振動系統周期解分岔理論方法，被國際同行譽為“C—L方法”。該方法揭示了解的拓撲結構與系統參數間的聯系，對動力學結構的穩定性控制奠定了理論基礎。他主持的國家自然科學基金重大項目“大型旋轉機械非線性動力學問題研究”，系統研究了復雜非線性系統的動力學、控制及其在大型旋轉機械的非線性動力學問題方面的應用，突破了傳統非線性振動理論發展的瓶頸，促成并發展了新的學科方向——工程非線性動力學，整體上達到國際先進水平，其中部分理論成果達到了國際領先水平；非線性動力學理論的工程應用處于國際前列。

他在治理大型旋轉機械頻發的振動故障中，突破了傳統線性理論故障建模和機理分析方法，采用非線性分析技術，查明故障機理及原因，治愈了七省市18臺大型火電機組的重大振動故障，獲經濟效益4.4億元；對國產4臺20萬千瓦勵磁機支撐系統進行非線性設計改造，使振動失穩的頑疾得到根治。

陳予恕院士長期致力于高等教育事業，培養的100多名碩士、博士研究生已成為我國工程非線性動力學科技骨干，其中已有3人已經獲得國家杰出青年基金項目，2人被評為“新世紀人才”。

為人師表的陳予恕院士，既是一位堪稱楷模的“傳道、授業、解惑”者，又是一位成果不凡、貢獻卓越的科學家。近日，他欣然接受了本刊的專訪。

問：陳院士，您好！您是我國著名的工程非線性振動專家，您能對目前國內外機械與運載工程學的發展情況做一個簡單的介紹嗎？

陳院士：好的。在人類社會發展進程中，物質性演化過程經歷了由以工具——材料性工程為主要引領的工程推動階段，到以動力——能源性工程為主要引領的工程系統推動階段，再到以信息——網絡性工程為主要引領的工程系統推動階段，并又正在進入以生命——智能性工程為主要引領的工程系統推動階段。社會需求是工程演化發展的強大拉力，科技進步是工程演化發展的直接推力。機械工程和運載工程等一系列的新產業（行業）自工業革命催使其誕生以來，隨著人類社會的文明進步而不斷發展演化著。

在20世紀下半葉，新中國成立后，從“一五”計劃開始進行了大規模的經濟建設，著手進行了以蘇聯設計的156項工程為中心的、由限額以上的694個大中型建設項目組成的工業建設，為我國社會主義工業化奠定了初步基礎。在此后的計劃經濟時期，我國的工程發展雖然也有曲折，但取得的巨大成就仍然令世界矚目。特別是改革開放后，我國的工程建設更取得了史無前例的成就，令世界驚嘆。

例如，我國航天工程的演化發展，就是在社會需求的直接牽引與推動下進行的。20世紀70年代后期，我國的“兩彈一星”工程達到了相當的水平，航天工程已初具規模。80年代末和90年代初，由于改革開放和經濟社會的發展，對航天工程的社會需求進一步劇增，極大地刺激、拉動了航天工程的發展，促使我國新型火箭、衛星、飛船的設計與研制生產水平大幅度提高。目前，我國的航天工程從規模、水平、質量上都處于世界航天事業的先進地位。

從世界范圍看，20世紀中后期的工程演化出現了許多新現象和新趨勢。例如，數字化設計、制造、計算機模擬的過程控制和人工智能的專家系統，使各類產品的更新換代周期大大縮短，精準設計和精準加工制造使產品的精度和質量穩定性大幅提高，有人把上述技術進步稱之為智能化工程的階段。

關于“國內外機械與運載工程學的發展情況簡介”還可以參考文后附的“相關說明”。

問：您是我國工程非線性振動的主要創始人之一，首次提出了分岔理論方法，被國際上命名為C-L（Chen-Langford）方法。請問您在研究過程中遇到的最大挑戰是什么？最終又是如何克服的呢？

陳院士：我們在研究非線性振動理論時，對同一個杜芬型非線性參激系統，發現了世界著名專家Mitropolsky（蘇聯）和Nayfeh（美國）所得到的1/2亞諧周期解的響應曲線有本質的定性的不同，對同一個方程有兩種不同的解的結果，誰的正確？這個問題困惑著國際學術界20—30年。在調研數學相關最新成果的基礎上，我們建立了更有廣泛代表性的含多種非線性因素的微分方程，并給以求其1/2亞諧分岔解的命題。為此，我們探索用平均法、對稱論、突變論、奇異性理論和分岔理論等多種理論方法對之進行求解分析，最后解決了問題，建立了國際同行命名的C-L方法（Chen-Langford法）。此方法還可以求解連續（光滑）系統、非光滑（分段線性非線性）系統、van der Pol系統等非線性系統的周期分岔解的問題，得到科技界的廣泛應用。這個理論的提出，將非線性振動求周期解的理論推進到現代分岔解的階段。

從創新的角度進行總結，就是要帶著好奇心和敏感性到實踐中去發現和挖掘新問題和新現象。這里說的實踐是指：查閱文獻工作和到工程實踐中去了解動力學結構的工作原理，運行過程和故障等進行實踐知識的積累。為研究這些“新現象、新問題”的機理，需提出恰當的、正確的和新穎的科學命題，并通過分析對比，去粗取精，抓住其影響動力學行為的主要矛盾因素，建立能反映其動力學行為本質的科學（數學）理論方程，然后探討用新的數學理論去求解它，直到結果能夠釋明原有理論不能說明的現象為止，新理論和新方法就可認為是建立起來了。

問：您40余年來從事工程非線性動力學理論及其在工程中應用研究，應機械裝備現代化設計要求，發展了非線性動力學理論，并成功應用于大型旋轉機械和振動機械的設計和故障治理工程，成效顯著。能給我們介紹一下具體實例嗎？

陳院士：自1988年我關于“非線性參激系統的亞諧分岔解”的文章發表以來，相繼又請了國外專家來我國講授“動力系統”課程后，非線性動力學研究在我國逐步引起不少學者的關注和參與，特別是我組織了我國十多個著名高校和科研生產單位的幾十名專家共同承擔的國家自然科學基金“九五”重大項目——“大型旋轉機械非線性動力學問題”啟動后，我們集體在非線性動力學理論及其工程應用方面取得了一系列重大的成就。在工程應用方面，我們的成果含：①在運用C-L方法及其思想深入分析故障非線性機理的基礎上，提出大型旋轉機械重大振動故障非線性治理的五項新技術——非線性油膜振蕩參數綜合（偏心量、潤滑、軸承負荷分配）治理技術、軸系支承內共振綜合治理技術、裂紋類型故障綜合類比技術、碰摩故障治理技術，以及軸系外伸端不平衡的非線性治理技術。這些技術在天津、黑龍江等7省市11個發電廠的共2830MW的機組上得到了成功的應用。②大型旋轉機械和振動機械非線性動力學的非線性設計技術：結構系統動力學參數優化——通過系統的動態行為機理分析，以達到理想的動態響應的結構參數為設計參數；結構動強度優化——整體結構任何部件的動強度都應少于或不超過平均動應力；動剛度優化技術——整體或部件模態數據都應符合工作頻率的動態要求。endprint

例如，天津某電廠4臺國產200MW發電機組投入運行后，均不同程度地發生不穩定振動，突出表現為勵磁機軸振動不穩定增長并引發周期性頻繁碎瓦故障。經振動頻譜分析顯示，勵磁機振動故障特性主要反映為油膜半速渦動和支撐剛度薄弱；建模理論分析可知，勵磁機的不穩定振動為油膜不穩定，軸系及支撐結構存在內共振，從而導致振動能量在油膜和勵磁機模態之間傳遞，而形成勵磁機振幅周期性波動。綜合治理方案是：調整了軸瓦的支撐中心標高以改變油膜的比壓，并對軸瓦頂部間隙及緊力作了適當調整，以增加機組軸系的油膜穩定性；在此基礎上，進行高速動平衡，使轉子的擾動力降至最小；并對支撐剛度進行重新設計，經模態計算和實驗，使模態合理分布以解決內共振問題。200MW勵磁機臺板改造后運行狀態穩定，振動水平良好。

問：您是天津大學的教授，請您具體談談您的教學及其成果情況。

陳院士：我在研究生培養方面的教學情況：共培養研究生102名，其中博士后7名，博士生47名，碩士生48名。在已畢業的博士生中，有3名被評為全國杰出青年基金獲得者。我參與主編著作11部，其中獨著4部，2部專著同時為碩士生教材，2部專著（1本為英文版，Springer（London）1998出版）同時為博士生教材。為把我國建設成偉大富強的國家，建設成創新型國家，培養創新型人才十分重要，而培養研究生正是培養創新型人才的主要途徑之一。

如何通過師生雙方的努力，使學生在學識學力上將導師和本學科當前已經取得的成果精髓繼承下來、傳承下去，并同時使學生探索出自己的學習方略，從而能實現繼承基礎上的創新，是我在研究生教學和培養過程中始終在思考和探索實踐的問題。我要求自己要不斷了解學習本學科所取得的最新成果和國家的重大需求，希望能組織自己的團隊和團結同行專家，共同為發展我國的科技事業貢獻力量。為此，要求研究生要掌握雄厚的基礎理論和學科最新成果，嚴格完成研究計劃；通過組織定期學術討論會、專題講習班、全國學術交流會，共同攻關科研任務，加強國際交流等環節來培養研究生的道德人品、學識學力和治學方略等方面的能力。我指導畢業的研究生，在全國“動力學與控制”學科發展方面正發揮著積極的作用。

目前，我帶的在讀研究生還有15名。我相信，通過師生的共同努力，充分利用可以利用的客觀條件，我們培養人才的質量將會越來越高。

問：據介紹，C-L方法達到了國際領先水平，我國的具體應用現狀是怎樣的？其發展前景如何呢？

陳院士：C-L方法及其思想自上世紀80年代中期提出至今，在發展非線性振動理論、深入分析非線性動力學系統結構參數變化對其分岔動態行為的影響、對系統通向混沌道路的探討、對旋轉機械、振動機械、機翼顫振、車輛行駛穩定性等動力學結構故障機理分析及其失穩控制等理論及其工程應用領域，都有很多應用，取得了很大的成效。但是，限于“非線性動力系統理論”的發展水平，C-L方法目前只能分析低維系統（簡化的系統）的分岔動態行為的機理，對復雜大系統尚不能進行其動態行為的分析，故尚不能滿足復雜大系統動力學設計對結構參數優化的要求。

錢學森先生解決復雜大系統動力學行為分析設計的經驗是：“基于經驗的積疊，運用定性和定量相結合，最后定量的綜合集成的方法。”對照錢先生的經驗，目前大多數非線性動力學研究工作，只是完成了前面兩步，即建立簡化數學模型，進行定性分析。由于多數實際工程動力學結構都是十分巨大和復雜的，因而，所得到的定性的理論結果，對大系統設計參數選取的需求尚無法滿足。我的看法是，為了能設計出性能良好的大型動力學結構，我們的研究工作在完成前兩步的基礎上還要完成他說的第三步，即在“定性理論的指導下的全系統定量計算分析”，從而做到設計的主要動力學參數優化，以保證建成的動力學結構能達到設計要求的動態指標，這方面的工作我們正在探索中。

陳予恕院士重視理論與工程應用相結合，在兩個方面都取得了重大成就。40余年來，陳予恕院士共主持完成了國家重要科技項目20余項，主持國家自然科學基金“九五”重大項目“大型旋轉機械非線性動力學問題”（1999.3～2003.2）和國家自然科學基金重點項目“超超臨界汽輪發電機組轉子系統的若干非線性動力學問題”（2007.1～2010.12）。該項目系統研究了復雜非線性系統的動力學、控制及其在大型旋轉機械的非線性動力學問題方面的應用，成果突破了傳統非線性振動理論發展的瓶頸，促成并發展了新的學科方向——工程非線性動力學，整體上達到國際先進水平，其中部分理論成果如C-L方法達到了國際領先水平；非線性動力學理論的工程應用方面處于國際前列。

他對我國非線性振動學科的發展做出了重要貢獻。作為第一完成人，陳予恕院士曾獲國家自然科學二等獎（2003年）和國家科技進步二等獎（2005年）各1項，省部級科技獎勵一等獎3項、二等獎6項，中國專利優秀獎1項（2010年）和天津市專利金獎1項（2010年），發表的300篇論文中共有100多篇被收入SCI、EI。從1978年至2004年，他主持了全部9屆全國非線性振動會議，參與了8次專業國際會議的組織工作。現任我國《非線性動力學學報》主編，并先后任多個國內外著名學報編委和數個國內外學術團體常務理事和理事等職。

現已年逾八旬的陳予恕院士表示，在當今科技協同創新的發展戰略中，要縮短與發達國家工程科技人才水平間的差距，增強我國自主創新能力以及全面提升國家競爭力，必須加快培養和造就創新型工程科技人才，加快建立職業化和國際化的工程科技人才開發體系。

附相關說明：

（1）機械制造，數控機床，大型旋轉機械

機械制造業是各國工業發展的基礎產業，在中國，機械制造業占國內生產總值的40%左右，占外匯收入的四分之三。機械制造技術的核心在于數控機床，目前中國的機床擁有量已居世界前列，但在高速化、精密化和智能化程度上與世界先進水平仍有差距。中國正在開展大型旋轉機械（如大型發電機組、工業汽輪機、航空發動機及燃氣輪機等）的自主設計及生產制造，這為數控機床的發展和制造技術的進步帶來前所未有的機遇和挑戰。隨著電子、信息等高新技術的不斷發展以及市場需求個性化與多樣化，先進制造技術正在向超精密加工、超高速切削、新型加工設備的研究與開發等方向發展。endprint

（2）大飛機，先進戰斗機

大飛機和先進戰斗機是先進航空工業產品的典型代表，其研制生產能夠帶動尖端技術的發展。大飛機一般是指起飛總重超過1 OO噸的運輸類飛機，如空中客車公司的A580和波音公司的737、747、777及787。中國于2008年啟動C919大型飛機項目，現已進入工程發展階段，正在突破大型飛機總體設計、氣動及噪聲預測、先進復合材料結構設計等關鍵技術。先進戰斗機是指具有隱形、超音速巡航能力、超機動能力以及超級信息優勢等性能特點的第五代戰機，中國在戰斗機研制方面緊跟國際先進水平，但在航空發動機的設計制造方面還較為落后。

（5）高速列車

高速列車是指最高行車速度每小時達到或超過200公里的鐵路列車。目前國際先進的高速列車有日本的新干線N700系、E6系，德國的ICE列車及法國的TGV列車等，最高運行速度在500km/h以上。中國高速列車技術（包括車組系統集成、轉向架等9大關鍵技術和10項配套技術）經歷了高速發展，其中京滬高速鐵路、武廣客運專線的穩定運行速度接近500km/h，達到國際先進水平。限制高速列車進一步提速的主要因素包括氣動阻力、氣動噪聲等空氣動力學問題，車體運動穩定性及非線性振動問題等。

（4）大型艦船

大型艦船（如航空母艦）是現代海戰中不可或缺的重要組成部分，其本身結構復雜且處于復雜的環境中。目前國內外的研究主要集中在大型艦船在波浪中搖蕩運動的混沌動力學分析，艦船運動下艦載機的攔截著艦動力學仿真，艦船輻射噪聲的特征提取，艦船總體及其動力裝置受爆炸沖擊的響應分析，艦船的隱身技術、故障診斷技術和狀態評估技術，以及艦船的數字化設計等問題，涉及非線性動力學、多體動力學、船舶水動力學、船舶結構動力學、聲學、電磁學、電子學等學科領域，解決這些問題需要各學科人才的傾力合作。

（5）航天器

航天器是人類進行太空活動、探索宇宙、執行空間任務的載體。伴隨著航天任務的多樣化，航天器的構造與功能日趨復雜，已經向大型空間站、微小衛星、深空探測等方向發展。航天器具有多耦合，非線性以及大尺度柔性等結構特征，并且工作在極端外界環境，其動力學與控制是研究的難點。艙段式空間站姿態機動、軌道運動、撓性附件振動間的耦合動力學問題，大型天線、帆板結構展開中的幾何非線性與時變非線性問題，以及貯液系統中的液體大幅晃動問題等，都是目前研究中亟需解決的問題。

（6）機器人

機器人是一門高度交叉性學科，融合了計算機、機構學、控制工程、微電子學、人工智能、傳感器技術、光學、仿生學等領域的發展成果，代表了高科技的發展前沿。國內外對機器人的研究不斷深入，目前已經開發出各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和智能機器人，如空間機器人、軍用機器人、水下機器人、服務機器人、仿人機器人、醫療機器人等。機器人是一個十分復雜的多剛柔體系統，具有自由度高、時變性、強耦合、強非線性等特性，也為動力學與控制的研究帶來新的機遇與挑戰。endprint