不畏浮云遮望眼 开花结果倚学研

党的十八大报告把“实施创新驱动发展战略”放在加快转变经济发展方式部署的突出位置，这无疑需要培养大批高水平的工程科技人才。

陈予恕院士是我国工程非线性动力学专家。他首次提出了非线性振动系统周期解分岔理论方法，被国际同行誉为“C—L方法”。该方法揭示了解的拓扑结构与系统参数间的联系，对动力学结构的稳定性控制奠定了理论基础。他主持的国家自然科学基金重大项目“大型旋转机械非线性动力学问题研究”，系统研究了复杂非线性系统的动力学、控制及其在大型旋转机械的非线性动力学问题方面的应用，突破了传统非线性振动理论发展的瓶颈，促成并发展了新的学科方向——工程非线性动力学，整体上达到国际先进水平，其中部分理论成果达到了国际领先水平；非线性动力学理论的工程应用处于国际前列。

他在治理大型旋转机械频发的振动故障中，突破了传统线性理论故障建模和机理分析方法，采用非线性分析技术，查明故障机理及原因，治愈了七省市18台大型火电机组的重大振动故障，获经济效益4.4亿元；对国产4台20万千瓦励磁机支撑系统进行非线性设计改造，使振动失稳的顽疾得到根治。

陈予恕院士长期致力于高等教育事业，培养的100多名硕士、博士研究生已成为我国工程非线性动力学科技骨干，其中已有3人已经获得国家杰出青年基金项目，2人被评为“新世纪人才”。

为人师表的陈予恕院士，既是一位堪称楷模的“传道、授业、解惑”者，又是一位成果不凡、贡献卓越的科学家。近日，他欣然接受了本刊的专访。

问：陈院士，您好！您是我国著名的工程非线性振动专家，您能对目前国内外机械与运载工程学的发展情况做一个简单的介绍吗？

陈院士：好的。在人类社会发展进程中，物质性演化过程经历了由以工具——材料性工程为主要引领的工程推动阶段，到以动力——能源性工程为主要引领的工程系统推动阶段，再到以信息——网络性工程为主要引领的工程系统推动阶段，并又正在进入以生命——智能性工程为主要引领的工程系统推动阶段。社会需求是工程演化发展的强大拉力，科技进步是工程演化发展的直接推力。机械工程和运载工程等一系列的新产业（行业）自工业革命催使其诞生以来，随着人类社会的文明进步而不断发展演化着。

在20世纪下半叶，新中国成立后，从“一五”计划开始进行了大规模的经济建设，着手进行了以苏联设计的156项工程为中心的、由限额以上的694个大中型建设项目组成的工业建设，为我国社会主义工业化奠定了初步基础。在此后的计划经济时期，我国的工程发展虽然也有曲折，但取得的巨大成就仍然令世界瞩目。特别是改革开放后，我国的工程建设更取得了史无前例的成就，令世界惊叹。

例如，我国航天工程的演化发展，就是在社会需求的直接牵引与推动下进行的。20世纪70年代后期，我国的“两弹一星”工程达到了相当的水平，航天工程已初具规模。80年代末和90年代初，由于改革开放和经济社会的发展，对航天工程的社会需求进一步剧增，极大地刺激、拉动了航天工程的发展，促使我国新型火箭、卫星、飞船的设计与研制生产水平大幅度提高。目前，我国的航天工程从规模、水平、质量上都处于世界航天事业的先进地位。

从世界范围看，20世纪中后期的工程演化出现了许多新现象和新趋势。例如，数字化设计、制造、计算机模拟的过程控制和人工智能的专家系统，使各类产品的更新换代周期大大缩短，精准设计和精准加工制造使产品的精度和质量稳定性大幅提高，有人把上述技术进步称之为智能化工程的阶段。

关于“国内外机械与运载工程学的发展情况简介”还可以参考文后附的“相关说明”。

问：您是我国工程非线性振动的主要创始人之一，首次提出了分岔理论方法，被国际上命名为C-L（Chen-Langford）方法。请问您在研究过程中遇到的最大挑战是什么？最终又是如何克服的呢？

陈院士：我们在研究非线性振动理论时，对同一个杜芬型非线性参激系统，发现了世界著名专家Mitropolsky（苏联）和Nayfeh（美国）所得到的1/2亚谐周期解的响应曲线有本质的定性的不同，对同一个方程有两种不同的解的结果，谁的正确？这个问题困惑着国际学术界20—30年。在调研数学相关最新成果的基础上，我们建立了更有广泛代表性的含多种非线性因素的微分方程，并给以求其1/2亚谐分岔解的命题。为此，我们探索用平均法、对称论、突变论、奇异性理论和分岔理论等多种理论方法对之进行求解分析，最后解决了问题，建立了国际同行命名的C-L方法（Chen-Langford法）。此方法还可以求解连续（光滑）系统、非光滑（分段线性非线性）系统、van der Pol系统等非线性系统的周期分岔解的问题，得到科技界的广泛应用。这个理论的提出，将非线性振动求周期解的理论推进到现代分岔解的阶段。

从创新的角度进行总结，就是要带着好奇心和敏感性到实践中去发现和挖掘新问题和新现象。这里说的实践是指：查阅文献工作和到工程实践中去了解动力学结构的工作原理，运行过程和故障等进行实践知识的积累。为研究这些“新现象、新问题”的机理，需提出恰当的、正确的和新颖的科学命题，并通过分析对比，去粗取精，抓住其影响动力学行为的主要矛盾因素，建立能反映其动力学行为本质的科学（数学）理论方程，然后探讨用新的数学理论去求解它，直到结果能够释明原有理论不能说明的现象为止，新理论和新方法就可认为是建立起来了。

问：您40余年来从事工程非线性动力学理论及其在工程中应用研究，应机械装备现代化设计要求，发展了非线性动力学理论，并成功应用于大型旋转机械和振动机械的设计和故障治理工程，成效显著。能给我们介绍一下具体实例吗？

陈院士：自1988年我关于“非线性参激系统的亚谐分岔解”的文章发表以来，相继又请了国外专家来我国讲授“动力系统”课程后，非线性动力学研究在我国逐步引起不少学者的关注和参与，特别是我组织了我国十多个著名高校和科研生产单位的几十名专家共同承担的国家自然科学基金“九五”重大项目——“大型旋转机械非线性动力学问题”启动后，我们集体在非线性动力学理论及其工程应用方面取得了一系列重大的成就。在工程应用方面，我们的成果含：①在运用C-L方法及其思想深入分析故障非线性机理的基础上，提出大型旋转机械重大振动故障非线性治理的五项新技术——非线性油膜振荡参数综合（偏心量、润滑、轴承负荷分配）治理技术、轴系支承内共振综合治理技术、裂纹类型故障综合类比技术、碰摩故障治理技术，以及轴系外伸端不平衡的非线性治理技术。这些技术在天津、黑龙江等7省市11个发电厂的共2830MW的机组上得到了成功的应用。②大型旋转机械和振动机械非线性动力学的非线性设计技术：结构系统动力学参数优化——通过系统的动态行为机理分析，以达到理想的动态响应的结构参数为设计参数；结构动强度优化——整体结构任何部件的动强度都应少于或不超过平均动应力；动刚度优化技术——整体或部件模态数据都应符合工作频率的动态要求。endprint

例如，天津某电厂4台国产200MW发电机组投入运行后，均不同程度地发生不稳定振动，突出表现为励磁机轴振动不稳定增长并引发周期性频繁碎瓦故障。经振动频谱分析显示，励磁机振动故障特性主要反映为油膜半速涡动和支撑刚度薄弱；建模理论分析可知，励磁机的不稳定振动为油膜不稳定，轴系及支撑结构存在内共振，从而导致振动能量在油膜和励磁机模态之间传递，而形成励磁机振幅周期性波动。综合治理方案是：调整了轴瓦的支撑中心标高以改变油膜的比压，并对轴瓦顶部间隙及紧力作了适当调整，以增加机组轴系的油膜稳定性；在此基础上，进行高速动平衡，使转子的扰动力降至最小；并对支撑刚度进行重新设计，经模态计算和实验，使模态合理分布以解决内共振问题。200MW励磁机台板改造后运行状态稳定，振动水平良好。

问：您是天津大学的教授，请您具体谈谈您的教学及其成果情况。

陈院士：我在研究生培养方面的教学情况：共培养研究生102名，其中博士后7名，博士生47名，硕士生48名。在已毕业的博士生中，有3名被评为全国杰出青年基金获得者。我参与主编著作11部，其中独著4部，2部专著同时为硕士生教材，2部专著（1本为英文版，Springer（London）1998出版）同时为博士生教材。为把我国建设成伟大富强的国家，建设成创新型国家，培养创新型人才十分重要，而培养研究生正是培养创新型人才的主要途径之一。

如何通过师生双方的努力，使学生在学识学力上将导师和本学科当前已经取得的成果精髓继承下来、传承下去，并同时使学生探索出自己的学习方略，从而能实现继承基础上的创新，是我在研究生教学和培养过程中始终在思考和探索实践的问题。我要求自己要不断了解学习本学科所取得的最新成果和国家的重大需求，希望能组织自己的团队和团结同行专家，共同为发展我国的科技事业贡献力量。为此，要求研究生要掌握雄厚的基础理论和学科最新成果，严格完成研究计划；通过组织定期学术讨论会、专题讲习班、全国学术交流会，共同攻关科研任务，加强国际交流等环节来培养研究生的道德人品、学识学力和治学方略等方面的能力。我指导毕业的研究生，在全国“动力学与控制”学科发展方面正发挥着积极的作用。

目前，我带的在读研究生还有15名。我相信，通过师生的共同努力，充分利用可以利用的客观条件，我们培养人才的质量将会越来越高。

问：据介绍，C-L方法达到了国际领先水平，我国的具体应用现状是怎样的？其发展前景如何呢？

陈院士：C-L方法及其思想自上世纪80年代中期提出至今，在发展非线性振动理论、深入分析非线性动力学系统结构参数变化对其分岔动态行为的影响、对系统通向混沌道路的探讨、对旋转机械、振动机械、机翼颤振、车辆行驶稳定性等动力学结构故障机理分析及其失稳控制等理论及其工程应用领域，都有很多应用，取得了很大的成效。但是，限于“非线性动力系统理论”的发展水平，C-L方法目前只能分析低维系统（简化的系统）的分岔动态行为的机理，对复杂大系统尚不能进行其动态行为的分析，故尚不能满足复杂大系统动力学设计对结构参数优化的要求。

钱学森先生解决复杂大系统动力学行为分析设计的经验是：“基于经验的积叠，运用定性和定量相结合，最后定量的综合集成的方法。”对照钱先生的经验，目前大多数非线性动力学研究工作，只是完成了前面两步，即建立简化数学模型，进行定性分析。由于多数实际工程动力学结构都是十分巨大和复杂的，因而，所得到的定性的理论结果，对大系统设计参数选取的需求尚无法满足。我的看法是，为了能设计出性能良好的大型动力学结构，我们的研究工作在完成前两步的基础上还要完成他说的第三步，即在“定性理论的指导下的全系统定量计算分析”，从而做到设计的主要动力学参数优化，以保证建成的动力学结构能达到设计要求的动态指标，这方面的工作我们正在探索中。

陈予恕院士重视理论与工程应用相结合，在两个方面都取得了重大成就。40余年来，陈予恕院士共主持完成了国家重要科技项目20余项，主持国家自然科学基金“九五”重大项目“大型旋转机械非线性动力学问题”（1999.3～2003.2）和国家自然科学基金重点项目“超超临界汽轮发电机组转子系统的若干非线性动力学问题”（2007.1～2010.12）。该项目系统研究了复杂非线性系统的动力学、控制及其在大型旋转机械的非线性动力学问题方面的应用，成果突破了传统非线性振动理论发展的瓶颈，促成并发展了新的学科方向——工程非线性动力学，整体上达到国际先进水平，其中部分理论成果如C-L方法达到了国际领先水平；非线性动力学理论的工程应用方面处于国际前列。

他对我国非线性振动学科的发展做出了重要贡献。作为第一完成人，陈予恕院士曾获国家自然科学二等奖（2003年）和国家科技进步二等奖（2005年）各1项，省部级科技奖励一等奖3项、二等奖6项，中国专利优秀奖1项（2010年）和天津市专利金奖1项（2010年），发表的300篇论文中共有100多篇被收入SCI、EI。从1978年至2004年，他主持了全部9届全国非线性振动会议，参与了8次专业国际会议的组织工作。现任我国《非线性动力学学报》主编，并先后任多个国内外著名学报编委和数个国内外学术团体常务理事和理事等职。

现已年逾八旬的陈予恕院士表示，在当今科技协同创新的发展战略中，要缩短与发达国家工程科技人才水平间的差距，增强我国自主创新能力以及全面提升国家竞争力，必须加快培养和造就创新型工程科技人才，加快建立职业化和国际化的工程科技人才开发体系。

附相关说明：

（1）机械制造，数控机床，大型旋转机械

机械制造业是各国工业发展的基础产业，在中国，机械制造业占国内生产总值的40%左右，占外汇收入的四分之三。机械制造技术的核心在于数控机床，目前中国的机床拥有量已居世界前列，但在高速化、精密化和智能化程度上与世界先进水平仍有差距。中国正在开展大型旋转机械（如大型发电机组、工业汽轮机、航空发动机及燃气轮机等）的自主设计及生产制造，这为数控机床的发展和制造技术的进步带来前所未有的机遇和挑战。随着电子、信息等高新技术的不断发展以及市场需求个性化与多样化，先进制造技术正在向超精密加工、超高速切削、新型加工设备的研究与开发等方向发展。endprint

（2）大飞机，先进战斗机

大飞机和先进战斗机是先进航空工业产品的典型代表，其研制生产能够带动尖端技术的发展。大飞机一般是指起飞总重超过1 OO吨的运输类飞机，如空中客车公司的A580和波音公司的737、747、777及787。中国于2008年启动C919大型飞机项目，现已进入工程发展阶段，正在突破大型飞机总体设计、气动及噪声预测、先进复合材料结构设计等关键技术。先进战斗机是指具有隐形、超音速巡航能力、超机动能力以及超级信息优势等性能特点的第五代战机，中国在战斗机研制方面紧跟国际先进水平，但在航空发动机的设计制造方面还较为落后。

（5）高速列车

高速列车是指最高行车速度每小时达到或超过200公里的铁路列车。目前国际先进的高速列车有日本的新干线N700系、E6系，德国的ICE列车及法国的TGV列车等，最高运行速度在500km/h以上。中国高速列车技术（包括车组系统集成、转向架等9大关键技术和10项配套技术）经历了高速发展，其中京沪高速铁路、武广客运专线的稳定运行速度接近500km/h，达到国际先进水平。限制高速列车进一步提速的主要因素包括气动阻力、气动噪声等空气动力学问题，车体运动稳定性及非线性振动问题等。

（4）大型舰船

大型舰船（如航空母舰）是现代海战中不可或缺的重要组成部分，其本身结构复杂且处于复杂的环境中。目前国内外的研究主要集中在大型舰船在波浪中摇荡运动的混沌动力学分析，舰船运动下舰载机的拦截着舰动力学仿真，舰船辐射噪声的特征提取，舰船总体及其动力装置受爆炸冲击的响应分析，舰船的隐身技术、故障诊断技术和状态评估技术，以及舰船的数字化设计等问题，涉及非线性动力学、多体动力学、船舶水动力学、船舶结构动力学、声学、电磁学、电子学等学科领域，解决这些问题需要各学科人才的倾力合作。

（5）航天器

航天器是人类进行太空活动、探索宇宙、执行空间任务的载体。伴随着航天任务的多样化，航天器的构造与功能日趋复杂，已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展。航天器具有多耦合，非线性以及大尺度柔性等结构特征，并且工作在极端外界环境，其动力学与控制是研究的难点。舱段式空间站姿态机动、轨道运动、挠性附件振动间的耦合动力学问题，大型天线、帆板结构展开中的几何非线性与时变非线性问题，以及贮液系统中的液体大幅晃动问题等，都是目前研究中亟需解决的问题。

（6）机器人

机器人是一门高度交叉性学科，融合了计算机、机构学、控制工程、微电子学、人工智能、传感器技术、光学、仿生学等领域的发展成果，代表了高科技的发展前沿。国内外对机器人的研究不断深入，目前已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和智能机器人，如空间机器人、军用机器人、水下机器人、服务机器人、仿人机器人、医疗机器人等。机器人是一个十分复杂的多刚柔体系统，具有自由度高、时变性、强耦合、强非线性等特性，也为动力学与控制的研究带来新的机遇与挑战。endprint