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出版者:Marcel Dekker Inc

作者:Muszynska, Agnieszka

出品人:

页数:1128

译者:

出版时间:2005-5

价格:$ 221.42

装帧:HRD

isbn号码:9780824723996

丛书系列:

图书标签:

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

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具体描述

As the most important parts of rotating machinery, rotors are also the most prone to mechanical vibrations, which may lead to machine failure. Correction is only possible when proper and accurate diagnosis is obtained through understanding of rotor operation and all of the potential malfunctions that may occur. Mathematical modeling, in particular modal modeling, is key to understanding observed phenomena through measured data and for predicting and preventing failure. Rotordynamics advances simple yet adequate models of rotordynamic problems and phenomena related to rotor operation in its environment.Based on Dr. Muszy(nA')ska's extensive work at Bently Rotor Dynamics Research Corporation, world renowned for innovative and groundbreaking experiments in the field, this book provides realistic models, step-by-step experimental methods, and the principles of vibration monitoring and practical malfunction diagnostics of rotating machinery. It covers extended rotor models, rotor/fluid-related phenomena, rotor-to-stationary part rubbing, and other related problems such as nonsynchronous perturbation testing. The author also illustrates practical diagnoses of several possible malfunctions and emphasizes correct interpretation of computer-generated numerical results. "Rotordynamics" is the preeminent guide to rotordynamic theory and practice. It is the most valuable tool available for anyone working on modeling rotating machinery at the machine design stage or performing further analytical and experimental research on rotating machine dynamics.

《旋转机械的振动与控制：理论、应用与前沿探索》一本深度解析旋转系统动力学复杂性的权威著作在现代工业、航空航天以及能源领域，旋转机械（如涡轮机、压缩机、发电机、航空发动机转子系统、高速精密机床主轴等）是驱动核心与效率关键。然而，这些系统在高速、高负荷、复杂工况下运行，其动力学行为的精确预测、稳定性分析和振动控制，一直是工程实践中面临的重大挑战。《旋转机械的振动与控制：理论、应用与前沿探索》正是一部旨在系统、深入地剖析这一领域复杂问题的专著。本书并非对单一机械部件的孤立研究，而是致力于构建一个跨越基础理论到尖端工程应用的完整知识体系。它面向机械工程、航空宇航、控制科学、材料科学等相关领域的学者、高级工程师以及高年级研究生，提供了一个全面且严谨的参考框架。 --- 第一部分：旋转系统动力学的理论基石与建模方法本部分奠定了全书的理论基础，侧重于如何精确、高效地描述和数学化旋转机械的复杂运动规律。第一章：旋转机械动力学概述与基础力学回顾本章首先梳理了旋转动力学的发展脉络，明确了其在现代工程中的战略地位。重点回顾了描述旋转体运动所必需的刚体动力学、连续介质力学中的核心概念，特别是欧拉角、四元数在描述空间姿态时的适用性与局限性。引入了旋转坐标系下的惯性力和科里奥利力的物理意义及其在拉格朗日方程和牛顿-欧拉方程中的处理方式，为后续的系统建模做好铺垫。第二章：转子系统动力学建模：从集中参数到分布式参数精确的数学模型是分析和控制的基础。本章详细探讨了不同粒度的建模技术： 1. 集中参数法（Lumped Parameter Modeling）：重点介绍经典的轴-盘-轴承系统建模，包括对柔性轴的梁理论近似、转子不平衡力、气动/液动力对转子临界转速和稳定性的影响。尤其深入剖析了欧拉-伯努利梁理论在转子动力学中的修正应用。 2. 有限元法（Finite Element Method, FEM）在转子系统中的应用：阐述了如何构建包含陀螺效应、惯性矩阵、以及旋转刚度矩阵的整体有限元模型。详细讨论了子结构法在处理大型、复杂结构（如带有多个支承和连接的轴系）时的优势和实施步骤。 3. 分布式参数模型与连续体理论：对于超高速或微小型系统，本章探讨了基于偏微分方程的连续体动力学建模，特别关注剪切变形效应（Timoshenko梁理论）在高速转子中的引入及其对高阶振型的影响。第三章：关键支撑系统的动力学分析转子系统的动力学特性高度依赖于其支撑结构。本章将焦点放在支承系统上： 1. 滑动轴承与油膜动力学：深入探讨了圆柱、偏置、凸轮等不同类型滑动轴承的油膜力模型，包括静力学、动力学系数的计算，以及油膜涡动/失稳现象的机理分析。 2. 滚动轴承的接触力学与疲劳：侧重于滚动轴承在动态载荷下的行为，分析接触椭圆、赫兹接触理论的应用，以及滚子与内外圈之间的非线性接触刚度和阻尼的建模。 3. 磁轴承的建模与控制接口：对主动磁轴承（AMB）的电磁力学特性、非线性建模（如饱和效应），以及如何将其等效到转子动力学模型中进行耦合分析，进行了详尽的阐述。 --- 第二部分：旋转机械的振动特性、稳定性与故障诊断理论模型建立后，核心任务是对系统的固有行为进行深入分析，并开发可靠的监测与诊断手段。第四章：特征值分析与临界转速/不平衡响应本章是理解系统振动特性的核心。 1. 线性动力学分析：详细讲解了系统特征值问题（包括欧拉-贝尔特拉米方程）的求解方法，精确预测固有频率、模态振型以及临界转速。特别讨论了陀螺效应如何使特征值具有非保守性（非对称性），影响系统的阻尼特性。 2. 不平衡响应分析：基于对傅里叶级数展开的响应分析，本章系统地推导了转子在恒定转速和变速工况下的不对称响应。分析了共振峰的宽度、峰值，以及如何通过模态叠加法快速评估复杂系统的响应。第五章：非线性动力学与旋转系统失稳机理许多现实问题无法用线性理论完全解释，本章深入探讨了非线性效应的引入： 1. 几何非线性和材料非线性：讨论了转子大变形、轴向伸长对刚度的影响，以及叶片弯曲对整体刚度的耦合作用。 2. 支承系统非线性：重点分析了油膜的非线性效应（如油楔效应导致的自激振动）、接触疲劳导致的刚度变化以及间隙（Clearance）对响应的限制与冲击。 3. 旋转不稳定性：详尽阐述了气流激励（涡动）、油膜涡动（油膜参数负倒数阻尼）以及不对称刚度（如转子偏心或支撑件磨损）引起的自激振动（Self-Excited Vibration）。运用李雅普诺夫稳定性理论对这些现象进行定量分析。第六章：状态监测与故障诊断的先进技术本章将视角转向实际运行中的健康管理： 1. 振动信号处理基础：强调了时频分析（如小波变换、希尔伯特-黄变换（HHT））在处理非平稳旋转信号中的优势。 2. 基于模态特征的故障识别：如何利用运行中模态参数的变化（频率漂移、阻尼增大、振型畸变）来定位故障源（如轴承剥落、裂纹扩展、键连接松动）。 3. 深度学习在故障诊断中的应用：探讨了卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）如何从原始振动数据或特征图中自动提取高维度的故障模式，实现对早期、隐蔽性故障的准确分类与预测。 --- 第三部分：主动控制、动态平衡与前沿工程实践成功的旋转机械设计需要将控制理论与动力学分析紧密结合。第七章：转子系统的振动主动控制策略本章聚焦于如何通过主动手段抑制有害振动，提高运行裕度。 1. 主动控制原理与控制器设计：详细介绍了状态反馈控制（如LQR）、H-无穷控制在抑制不平衡响应中的应用。特别关注如何设计具有鲁棒性的控制器以应对模型不确定性。 2. 磁轴承主动控制：作为实现无摩擦悬浮的关键，本章深入研究了磁轴承的电流环、位移反馈环的精确设计，以及如何利用磁轴承的多自由度控制来抑制临界转速附近的振动和残余不平衡。 3. 主动/被动混合控制系统：讨论了半主动悬架、粘滞阻尼器与主动控制结合的混合策略，旨在优化能耗和控制效果的平衡。第八章：旋转机械的动态平衡技术与优化动态不平衡是转子振动的主要激励源，本章系统梳理了平衡技术： 1. 平衡理论与测试方法：详述了单平面、两平面平衡理论的推导，重点分析了影响系数法和模态法的计算流程和实际操作中的误差来源。 2. 在线平衡技术：针对运行中无法停机的系统（如大型燃气轮机），讨论了基于传感器反馈的在线迭代平衡算法，包括反馈增益的选择和收敛性的保证。 3. 平衡优化：不仅仅是消除振动，更要考虑平衡质量对结构应力的影响，引入了多目标优化方法来寻找最佳的平衡点和质量分布。第九章：特殊旋转系统的动力学挑战与展望本章将理论应用扩展到当前工程的前沿领域： 1. 高速微小型化转子系统：针对微电机、涡轮分子泵等，分析了表面效应、材料阻尼在纳米尺度下的新现象，以及如何应对高转速下的涡流阻尼和空气轴承的流体动力学。 2. 柔性机械臂与空间旋转系统：讨论了旋转变质量（Rotary Variable Mass）和离心力驱动下的柔性对动力学的影响，以及在轨道飞行器中陀螺效应与姿态控制的耦合问题。 3. 数字孪生与预测性维护：展望了如何利用高保真动力学模型与实时传感器数据融合，构建旋转机械的数字孪生体，实现对未来性能退化和潜在故障的精准预测。 --- 结语《旋转机械的振动与控制：理论、应用与前沿探索》以其详实的数学推导、丰富的工程实例和对前沿控制技术的整合，为读者提供了一份结构严谨、内容深厚的专业指南。它不仅揭示了旋转系统内在的动力学规律，更提供了解决实际工程难题的先进工具箱，是推动旋转机械向更高可靠性、更高效率迈进的重要参考。