人人都可挖掘的巨大潜能—谈科学方法论的应用效果

闻邦椿

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

（接上期）

2.2 案例2：实现八大创新 创建新兴学科

我对“振动利用工程”的研究已达到了国际领先水平，这一成就的取得与我刻苦钻研、坚持创新密不可分。

1955年大学毕业后，当时东北工学院来了一位苏联专家，给我创造了良好机遇。我牢牢把握良机，全身心投入机械振动的学习和研究之中，将如何利用振动为人类造福作为主攻方向。在此后的40多年的研究工作中，我首先提出了振动利用工程的新概念，构建了振动利用工程新学科的理论框架，为振动利用工程学科的若干分支提供了设计与计算的理论和方法，解决了工程中诸多难题和国家急需解决的一些重大科学技术问题，获得了多项国家级奖励。在这一新学科的研究中，我实现8个方面的创新：

2.2.1 研究了新原理

提出了概率等厚筛分的新原理，将概率筛分原理和等厚筛分原理结合在一起，创造出了一种集概率筛分和等厚筛分原理优点的概率等厚筛分新原理；还利用振动同步传动原理实现对物料进行破碎的新工艺。

2.2.2 发明了新机构

研究出10余种新机构，如激振器偏转式自同步非共振新机构、惯性共振式双质体近共振新机构、双激振器振动破碎机的新机构、不对称弹性力的双质体非线性近共振新机构、平衡加隔振振动输送的新机构。

2.2.3 建立了新模型

提出了10多个非线性动力学新模型，例如惯性力项为非线性的动力学模型、不对称软式分段线性动力学模型、硬软复合式分段线性动力学模型、分段慢变的非线性的动力学模型、双参数慢变的非线性动力学模型等。

2.2.4 发展了新理论

研究并提出了多种理论，如物料运动的非线性动力学理论和单质体或多质体系统的硬式、软式、复合形式的非线性动力学理论等，弹性元件为非线性的各类非线性振动系统、带滞回阻尼力的非线性系统、具有冲击和摩擦的非线性振动系统的理论等。

2.2.5 研发了新技术

如大长度振动输送机常常会出现弹性弯曲振动，为预防出现弹性弯曲振动，研究出一种可以减轻或消除弯曲振动新技术；在自同步振动机上实现振动同步传动和在大型振动筛上采用控制方法实现同向回转控制同步的新技术等。

2.2.6 提出了新方法

提出了以功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计及特殊性能优化设计为核心内容的“1+3+X”的综合设计方法，同时提出了以非线性动力学为基础的深层次动态设计方法。

2.2.7 研制了新机器

研究成功如惯性共振概率新筛机、激振器偏转式大型冷矿振动筛、平衡加隔振的大长度振动输送机、自同步振动放矿机、双激振器自同步振动破碎机、750吨振动沉拔桩机、新型振动压路机、近共振工作的自同步振动离心脱水机等10余种新机器。

2.2.8 创建了新学科

由于取得了前面的这些成果，再加上我国许多企业同学校之间建立了良好的产、学、研的协作关系，处理好知识产权与技术垄断之间的关系，从而使我国对“振动利用工程”新学科的研究达到国际领先水平。在这一方面撰写并出版了中英文著作和论文集10余种。我作为从事机械产品设计的教学和科研工作的专家，其研究方向之一是振动学和机械工程学相结合的一门新学科“振动利用工程”，另一方面，还从事有害振动控制方面的研究工作。振动正是力学研究的一个分支，我在网上博得“力学教育家”的美名，这是与我在振动领域取得丰硕的创新研究成果密不可分的。（1）创建了“振动利用工程”新学科，奠定了该学科的理论基础，并将研究成果广泛应用于工程中，取得重大的经济效益和社会效益。在这一领域曾撰写了10多部专著，如图1所示。使我国对这一学科的研究达到国际领先水平。（2）对同步理论进行了深入研究，将振动同步扩展为控制同步、复合同步、广义同步，还提出了振动同步传动的新概念，发展了振动同步传动的理论及其应用，并撰写出版了中英文专著。这方面的研究在国际上也处于领先地位。（3）对故障旋转机械的非线性动力学问题进行了深入的研究，阐明了故障发生和发展的慢变和突变过程及其特点，对其理论进行了分析研究，提出了分段慢变和双参数慢变的理论，还最先提出了灰色诊断的理论，并提出用两次启动进行动平衡的理论和技术，撰写了两部专著。（4）将非线性振动理论应用于工程实际，应用于有用振动的利用和有害振动的控制，写出了国际上第一本内容丰富的《工程非线性振动》专门著作。此外，在教材的编写工作中，主编了大学本科生的振动教材《机械振动学》及研究生的机械振动教材《机械振动理论与应用》，在国内产生了重要的影响。在振动利用和控制领域，共写出14部中英文专著，其中有两种著作荣获全国优秀科技图书奖，还分别获得了两个著名出版社的“著名作者奖”和“最具影响力的作者奖”。

图1 撰写的有关振动利用与控制方面的著作Fig.1 A Work on Vibration Utilization and Control

2.3 案例3：编纂行业经典助力中国制造

我在本专业的主攻方向，即在机械设计及理论的研究中倾注了大量的精力和心血，在产品设计理论和方法方面取得了8个方面的创新成果。

2.3.1 对国内外70多种设计理论和方法进行分类

100多年来，为了提高产品的设计质量，国内外的科学技术工作者提出了70多种设计理论和方法，但一直没有人对这么多的方法进行分类，2003年在“机械工程学报”创刊50周年时我所发表的论文中将设计理论和方法分为7大类。

2.3.2 提出了和谐设计的新概念并阐明其内涵

和谐设计是在绿色设计的基础上发展起来的，绿色设计讲的是人和自然之间的关系。将绿色设计扩展为和谐设计是时代发展的需要，要将环境保护扩展到社会领域。

2.3.3 扩展了动态优化设计的内涵

传统的动态优化设计法是以线性动力学理论为基础的动态优化设计。过去撰写的动态优化设计有关书籍一般所研究的是如何消除振动，而我将动态优化设计扩展到如何更好地利用振动，在国际上创建了“振动利用工程”新学科，扩展了动态优化设计的内涵。

2.3.4 提出了深层次动态设计的概念并阐明了其含义

对于那些工作在非线性动力学条件下的机械，若采用线性动力学理论来处理设计问题，不仅会有较大的误差，甚至会发生质的错误，因此，设计时应该考虑其时变特性、强非线性特性、不确定性、高维与强耦合特性、多参数或多变量的特性等。

2.3.5 提出了以动态优化、智能化和可视化为核心内容的三化设计法或三优设计法

对于机器功能已经确定的设备，如航空发动机、汽轮机等，对这些机器只要对其性能进行优化设计即可，为此提出了针对3方面性能优化的三化设计法，即针对结构性能、使用性能、制造性能进行优化设计即可。

2.3.6 研究并提出了基于系统工程的产品综合设计法

基于系统工程的综合设计有以下4个阶段：调研阶段（3I调研）、设计规划阶段（7D规划）、系统化设计实施阶段（1+3+X系统化设计：包括功能设计和性能设计）和设计质量检验评估阶段（5A检验）等。在目前的产品设计中假如不综合运用科技工作者提出的各种设计方法，要想达到良好的设计质量是不可能的。

2.3.7 阐明了顶层设计的概念和内涵

7D规划包括设计目标（DO）、设计思想或设计理念（DI）、设计环境（DE）、设计过程（DP）、设计内容（DC）、设计方法（DM）和设计质量检验（DA），即称为7D规划，也称为顶层设计，为此，我专门撰写了顶层设计的专著。

2.3.8 提出了科学发展观作指导的系统化设计的概念及其设计理论和方法

它涵盖了4个理想的设计阶段：调研和选题、对任务剖析和规划、科学实施、质量的检验和评估；科学实施阶段，即用1+3+X的综合设计法中的5优设计：功能、结构性能、使用性能、制造性能、特殊性能的优化设计。在这一领域撰写和出版的著作和手册共10余种。

为助力中国制造2025，我还组织该领域的全国科技力量编撰了大型设计工具书《机械设计手册》系列，如图2所示。包括：（1）2010年出版的《机械设计手册》（第5版、6卷本）；（2）2012年出版的《现代机械设计师手册》（上、下册）；（3）2015年出版的《现代机械设计实用手册》（1卷本）；（4）2015年出版的《机械设计手册》（第5版、单行本共22个分册）；（5）2017年出版的《机械设计手册》（第6版，7卷本）。总计5套手册，共16卷。其中《机械设计手册》（第5版）曾于2013年获中国机械工业科学技术一等奖，2014年获中国政府出版奖的提名奖。上述这些创造性成果的取得使作者在机械设计与理论领域确立了领地位，独树一帜，影响颇大。

图2 撰写及主编的产品设计方面的著作及手册Fig.2 Write and Edit Product Design Books and Manuals

（未完，待续下期）