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出版者:Marcel Dekker Inc

作者:Muszynska, Agnieszka

出品人:

頁數:1128

译者:

出版時間:2005-5

價格:$ 221.42

裝幀:HRD

isbn號碼:9780824723996

叢書系列:

圖書標籤:

• Rotordynamics
• Rotors
• Vibration
• Dynamics
• Mechanical Engineering
• Aerospace Engineering
• Turbomachinery
• Stability
• Balancing
• Finite Element Analysis

《鏇轉機械的振動與控製：理論、應用與前沿探索》 一本深度解析鏇轉係統動力學復雜性的權威著作 在現代工業、航空航天以及能源領域，鏇轉機械（如渦輪機、壓縮機、發電機、航空發動機轉子係統、高速精密機床主軸等）是驅動核心與效率關鍵。然而，這些係統在高速、高負荷、復雜工況下運行，其動力學行為的精確預測、穩定性分析和振動控製，一直是工程實踐中麵臨的重大挑戰。《鏇轉機械的振動與控製：理論、應用與前沿探索》正是一部旨在係統、深入地剖析這一領域復雜問題的專著。 本書並非對單一機械部件的孤立研究，而是緻力於構建一個跨越基礎理論到尖端工程應用的完整知識體係。它麵嚮機械工程、航空宇航、控製科學、材料科學等相關領域的學者、高級工程師以及高年級研究生，提供瞭一個全麵且嚴謹的參考框架。 --- 第一部分：鏇轉係統動力學的理論基石與建模方法 本部分奠定瞭全書的理論基礎，側重於如何精確、高效地描述和數學化鏇轉機械的復雜運動規律。 第一章：鏇轉機械動力學概述與基礎力學迴顧 本章首先梳理瞭鏇轉動力學的發展脈絡，明確瞭其在現代工程中的戰略地位。重點迴顧瞭描述鏇轉體運動所必需的剛體動力學、連續介質力學中的核心概念，特彆是歐拉角、四元數在描述空間姿態時的適用性與局限性。引入瞭鏇轉坐標係下的慣性力和科裏奧利力的物理意義及其在拉格朗日方程和牛頓-歐拉方程中的處理方式，為後續的係統建模做好鋪墊。 第二章：轉子係統動力學建模：從集中參數到分布式參數 精確的數學模型是分析和控製的基礎。本章詳細探討瞭不同粒度的建模技術： 1. 集中參數法（Lumped Parameter Modeling）： 重點介紹經典的軸-盤-軸承係統建模，包括對柔性軸的梁理論近似、轉子不平衡力、氣動/液動力對轉子臨界轉速和穩定性的影響。尤其深入剖析瞭歐拉-伯努利梁理論在轉子動力學中的修正應用。 2. 有限元法（Finite Element Method, FEM）在轉子係統中的應用： 闡述瞭如何構建包含陀螺效應、慣性矩陣、以及鏇轉剛度矩陣的整體有限元模型。詳細討論瞭子結構法在處理大型、復雜結構（如帶有多個支承和連接的軸係）時的優勢和實施步驟。 3. 分布式參數模型與連續體理論： 對於超高速或微小型係統，本章探討瞭基於偏微分方程的連續體動力學建模，特彆關注剪切變形效應（Timoshenko梁理論）在高速轉子中的引入及其對高階振型的影響。 第三章：關鍵支撐係統的動力學分析 轉子係統的動力學特性高度依賴於其支撐結構。本章將焦點放在支承係統上： 1. 滑動軸承與油膜動力學： 深入探討瞭圓柱、偏置、凸輪等不同類型滑動軸承的油膜力模型，包括靜力學、動力學係數的計算，以及油膜渦動/失穩現象的機理分析。 2. 滾動軸承的接觸力學與疲勞： 側重於滾動軸承在動態載荷下的行為，分析接觸橢圓、赫茲接觸理論的應用，以及滾子與內外圈之間的非綫性接觸剛度和阻尼的建模。 3. 磁軸承的建模與控製接口： 對主動磁軸承（AMB）的電磁力學特性、非綫性建模（如飽和效應），以及如何將其等效到轉子動力學模型中進行耦閤分析，進行瞭詳盡的闡述。 --- 第二部分：鏇轉機械的振動特性、穩定性與故障診斷 理論模型建立後，核心任務是對係統的固有行為進行深入分析，並開發可靠的監測與診斷手段。 第四章：特徵值分析與臨界轉速/不平衡響應 本章是理解係統振動特性的核心。 1. 綫性動力學分析： 詳細講解瞭係統特徵值問題（包括歐拉-貝爾特拉米方程）的求解方法，精確預測固有頻率、模態振型以及臨界轉速。特彆討論瞭陀螺效應如何使特徵值具有非保守性（非對稱性），影響係統的阻尼特性。 2. 不平衡響應分析： 基於對傅裏葉級數展開的響應分析，本章係統地推導瞭轉子在恒定轉速和變速工況下的不對稱響應。分析瞭共振峰的寬度、峰值，以及如何通過模態疊加法快速評估復雜係統的響應。 第五章：非綫性動力學與鏇轉係統失穩機理 許多現實問題無法用綫性理論完全解釋，本章深入探討瞭非綫性效應的引入： 1. 幾何非綫性和材料非綫性： 討論瞭轉子大變形、軸嚮伸長對剛度的影響，以及葉片彎麯對整體剛度的耦閤作用。 2. 支承係統非綫性： 重點分析瞭油膜的非綫性效應（如油楔效應導緻的自激振動）、接觸疲勞導緻的剛度變化以及間隙（Clearance）對響應的限製與衝擊。 3. 鏇轉不穩定性： 詳盡闡述瞭氣流激勵（渦動）、油膜渦動（油膜參數負倒數阻尼）以及不對稱剛度（如轉子偏心或支撐件磨損）引起的自激振動（Self-Excited Vibration）。運用李雅普諾夫穩定性理論對這些現象進行定量分析。 第六章：狀態監測與故障診斷的先進技術 本章將視角轉嚮實際運行中的健康管理： 1. 振動信號處理基礎： 強調瞭時頻分析（如小波變換、希爾伯特-黃變換（HHT））在處理非平穩鏇轉信號中的優勢。 2. 基於模態特徵的故障識彆： 如何利用運行中模態參數的變化（頻率漂移、阻尼增大、振型畸變）來定位故障源（如軸承剝落、裂紋擴展、鍵連接鬆動）。 3. 深度學習在故障診斷中的應用： 探討瞭捲積神經網絡（CNN）和循環神經網絡（RNN）如何從原始振動數據或特徵圖中自動提取高維度的故障模式，實現對早期、隱蔽性故障的準確分類與預測。 --- 第三部分：主動控製、動態平衡與前沿工程實踐 成功的鏇轉機械設計需要將控製理論與動力學分析緊密結閤。 第七章：轉子係統的振動主動控製策略 本章聚焦於如何通過主動手段抑製有害振動，提高運行裕度。 1. 主動控製原理與控製器設計： 詳細介紹瞭狀態反饋控製（如LQR）、H-無窮控製在抑製不平衡響應中的應用。特彆關注如何設計具有魯棒性的控製器以應對模型不確定性。 2. 磁軸承主動控製： 作為實現無摩擦懸浮的關鍵，本章深入研究瞭磁軸承的電流環、位移反饋環的精確設計，以及如何利用磁軸承的多自由度控製來抑製臨界轉速附近的振動和殘餘不平衡。 3. 主動/被動混閤控製係統： 討論瞭半主動懸架、粘滯阻尼器與主動控製結閤的混閤策略，旨在優化能耗和控製效果的平衡。 第八章：鏇轉機械的動態平衡技術與優化 動態不平衡是轉子振動的主要激勵源，本章係統梳理瞭平衡技術： 1. 平衡理論與測試方法： 詳述瞭單平麵、兩平麵平衡理論的推導，重點分析瞭影響係數法和模態法的計算流程和實際操作中的誤差來源。 2. 在綫平衡技術： 針對運行中無法停機的係統（如大型燃氣輪機），討論瞭基於傳感器反饋的在綫迭代平衡算法，包括反饋增益的選擇和收斂性的保證。 3. 平衡優化： 不僅僅是消除振動，更要考慮平衡質量對結構應力的影響，引入瞭多目標優化方法來尋找最佳的平衡點和質量分布。 第九章：特殊鏇轉係統的動力學挑戰與展望 本章將理論應用擴展到當前工程的前沿領域： 1. 高速微小型化轉子係統： 針對微電機、渦輪分子泵等，分析瞭錶麵效應、材料阻尼在納米尺度下的新現象，以及如何應對高轉速下的渦流阻尼和空氣軸承的流體動力學。 2. 柔性機械臂與空間鏇轉係統： 討論瞭鏇轉變質量（Rotary Variable Mass）和離心力驅動下的柔性對動力學的影響，以及在軌道飛行器中陀螺效應與姿態控製的耦閤問題。 3. 數字孿生與預測性維護： 展望瞭如何利用高保真動力學模型與實時傳感器數據融閤，構建鏇轉機械的數字孿生體，實現對未來性能退化和潛在故障的精準預測。 --- 結語 《鏇轉機械的振動與控製：理論、應用與前沿探索》以其詳實的數學推導、豐富的工程實例和對前沿控製技術的整閤，為讀者提供瞭一份結構嚴謹、內容深厚的專業指南。它不僅揭示瞭鏇轉係統內在的動力學規律，更提供瞭解決實際工程難題的先進工具箱，是推動鏇轉機械嚮更高可靠性、更高效率邁進的重要參考。

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