♠内容简介
航空发动机整机振动问题严重影响现役飞机的安全性和可靠性，也制约着在研发动机的研制目标和周期。在发动机结构可靠性的故障中，整机振动方面的故障占相当高的比例，主要表现为转子不平衡、转子不对中、支承松动、转静碰摩、以及滚动轴承疲劳剥落等典型故障。本书针对现代航空发动机在研制、生产和使用过程中所出现的典型故障展开研究，首先引入耦合动力学思想，建立航空发动机整机振动的转子-支承-机匣耦合动力学模型，并利用Newmark-β法和翟方法相结合的数值积分法进行模型求解；然后，针对各种典型故障建立故障动力学模型，并导入航空发动机整机振动模型中，利用时域数值积分方法获取机匣测点的振动信号，并进行故障特征分析；最后，建立考虑航空发动机实际结构特征的转子试验器进行故障模拟，并以此验证航空发动机整机振动建模方法和典型故障动力学模型的正确有效性。
本书可以作为航空宇航推进理论与工程学科、航空发动机维修专业的本科生、研究生和具有一定专业知识的科技工作者的参考书。
♠前言
转子动力学作为动力学的经典分支，早在上世纪末就已经研究得非常深入，取得了许多重要研究成果，在国内形成了诸多有影响力的研究团队，并有多部相关著作出版。作者第一次接触航空发动机整机振动与转子动力学概念是在2005年，当时通过学科建设项目引进了中国航发沈阳发动机研究所（原中航工业沈阳发动机设计研究所）设计制造的带机匣的航空发动机转子试验器，该试验器在结构特征上与航空发动机非常相似，是研究航空发动机整机振动和故障模拟的重要试验平台，为作者后续的研究工作奠定了重要的基础。在此期间，作者有缘结识了沈阳发动机研究所的王德友副总师，在他的指导下，作者开始阅读了国内外许多著名学者的著作和论文，尤其是航空发动机设计手册的第19分册——《航空发动机整机振动及转子动力学》这本书对我影响最大，书中严谨的公式推导和详细的理论阐述使作者获益匪浅，让我对前辈们严谨的治学态度和工作作风肃然起敬。从此，开启了作者在航空发动机整机振动与转子动力学领域的研究工作。
在研究方向的选择上，作者注意到当时该领域研究工作存在几个薄弱环节，主要体现在：1）大部分研究工作主要集中在转子动力学本身，而忽略了转子-支承-机匣的耦合作用和一体化建模与分析；2）转子系统故障动力学建模与分析重点探讨的是故障非线性振动机理，由于所建立的转子动力学模型过于简单，因此无法模拟实际航空发动机固有特性，在故障信号的振动分析中，不能直接针对机匣加速度信号进行分析并提取故障特征，而实际发动机的故障分析却往往仅能依靠机匣测点的振动加速度，从而导致故障仿真结果难于应用于工程实际；3）含典型故障的航空发动机整机振动分析很少有相关商用软件，通用的有限元商用软件的对于航空发动机典型故障的非线性建模非常复杂，且计算效率极低，普通工程技术人员很难掌握和使用，因此，针对含典型故障的航空发动机整机振动分析，亟需自主开发具有自主知识产权的工程化软件；4）典型故障模型未能很好地与实际航空发动机结构特征结合，研究工作偏于理论探讨，试验验证环节缺乏，难于解释航空发动机整机振动故障原因。有鉴于此，作者利用近二十年时间，针对上述几方面的问题展开了详细研究，主要体现在：
1）针对整机振动建模方法问题，作者将著名车辆动力学专家翟婉明院士的耦合动力学思想引入到航空发动机整机振动，并利用Newmark-β法与翟方法相结合的数值积分方法，在时域直接进行模型求解，最终实现了航空发动机整机振动响应的快速计算。因为在车辆动力学领域，将车辆和轨道作为一个耦合系统建立耦合动力学模型，与在航空发动机整机振动领域将转子、支承、机匣、以及安装节作为一个耦合系统建立航空发动机整机耦合动力学模型，从理论上是相通的。该思路来源于作者在师从翟院士的攻博期间所汲取到的耦合动力学建模思想和精髓，以及翟院士提出的高效显式数值积分方法—翟方法，在此谨向恩师表示衷心的感激和由衷的敬意。
2）针对模型真实性问题，作者在建立航空发动机整机模型的过程先后经历了4个阶段：第一阶段为2005年至2009年期间建立的整机集中质量模型，该模型将转子和机匣均简化为集中质量、惯量、刚度和阻尼，同时，考虑了滚动轴承的非线性作用力，该模型主要用于转子典型故障的非线性动力学仿真，但是难于模拟实际发动机的振动特性；第二阶段为2009年至2011年期间建立的整机连续梁模型，该模型的主要特点是将转子按等截面自由梁连续模型建模，并利用模态阶截断法进行响应求解，其主要目的是为了更加逼近真实的转子系统，然而，该模型不仅建模复杂，而且也很难模拟真实发动机的固有特性；第三阶段为2011年至2017年期间建立的整机4自由度梁单元有限元模型，该模型将转子和机匣利用4自由度梁单元进行离散，从而建立有限元模型，将支承系统建成含轴承外圈和轴承座的集总参数多自由度模型，最后利用Newmark-β法和翟方法相结合的数值积分方法进行耦合系统动力学仿真，该模型不仅能够模拟航空发动机整机振动固有特性，而且也能进行多种典型故障的导入和仿真。但是，该模型由于不能考虑轴向振动和绕轴向的扭转转动，因此难于研究航空发动机主轴承的复杂载荷，以及由于转子不对中、弯扭耦合等故障所导致的轴向振动和扭转振动等复杂动力学行为；第四阶段为2017年建立的综合考虑复杂滚动轴承模型的整机6自由梁单元有限元模型，该模型对滚动轴承进行了详细建模，首先建立了5自由度球轴承动力学模型，推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式，然后，针对圆柱滚子轴承，利用“切片法”，推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴承倾斜引起的角向变形等复杂因素作用下的圆柱滚子轴承的作用力，最后，将复杂的球轴承模型和滚子轴承模型与6自由度的转子和机匣有限元梁模型结合，建立了含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动模型，并利用数值积分方法进行了动力学方程求解，该模型不仅能够模拟航空发动机整机振动固有特性，而且也能进行多种典型故障的导入和仿真，同时，也可以用于研究由于转子和轴承典型故障所引发的轴向、径向和扭转振动，以及由于机动飞行导致的主轴承非平稳冲击载荷等等。
纵观整个建模过程，通过不断迭代和更新，模型逐渐趋于复杂和真实，最后形成的航空发动机整机耦合动力学模型不仅能够很好地模拟实际航空发动机系统的整机固有特性，而且能够将典型故障模型导入整机模型，直接利用时域数值积分法实现整机故障动力学仿真，并且能够很方便地模拟实际航空发动机的测试场景，获取机匣测点的振动响应，并对故障信号进行模拟仿真和分析。当然，随着动力学建模方法的改进，计算能力的提升，模型的复杂程度可以进一步提高以更加逼近真实航空发动机，例如，在转子叶片建模、机匣建模、轴承力建模、附件传动齿轮箱建模等方面均有很大的拓展空间。
3）针对典型故障未能很好地与实际发动机结构结合，以及试验验证环节薄弱的问题，作者在中国航发沈阳发动机研究所王德友副总师和李成刚研究员的帮助下，设计制造了多个考虑发动机实际结构特点的转子试验器，其中包括：能够模拟实际航空发动机结构特征的带机匣的航空发动机转子试验器、能够模拟高压转子盘鼓式连接结构的多螺栓连接面转子试验器、能够模拟低压转子套齿连接结构的带套齿联轴器的转子不对中试验器、能够模拟叶片振动的带局部机匣-叶片的转子试验器、以及能够模拟发动机与飞附连接的带膜盘联轴器的转子不对中试验器等。利用这些试验器进行了转子不平衡、不对中、碰摩、叶片振动以及滚动轴承损伤等故障模拟，并将故障仿真结果与试验结果进行比较验证，以此验证故障模型的有效性，同时，也可以利用这些试验器进行模态试验和临界转速试验，来验证整机振动建模方法的有效性和模型的真实性。
4）针对含典型故障的航空发动机整机振动分析软件开发问题，作者基于Micrsoft Visual C++ 6.0语言，基于Windows平台开发了航空发动机整机振动分析软件EVDYNA，该软件界面美观，便于操作，能够很方便地实现转子、机匣和支承的建模，能够模拟转子不平衡、不对中、转静碰摩、支承松动、滚动轴承剥落等多种故障模式，并能够很方便地实现各种故障模型的导入，最后模拟航空发动机实际测试场景，实现整机振动的仿真模拟测试，获取包括机匣在内的所有节点的振动响应，一方面为故障信号分析提供仿真数据，另一方面为故障诊断提供仿真样本。该软件于2015年取得了软件著作权，随着研究工作进一步看展，软件功能将在不断的发展和扩充过程中。
本书是在国家重大基础研究项目、国家科技重大专项、装备预研项目、型号研制和国家自然基金的支持下，在总结多年研究成果的基础上，提炼出含典型故障的航空发动机整机振动建模和故障分析方法，结合工程应用编写而成的。
作者近年来参与了中国航发沈阳发动机研究所主持的国防973项目和多项装备预先研究项目、哈尔滨工业大学主持的国家科技重大专项（两机专项）课题、空军研究院航空兵研究所主持的国家科技重大专项（两机专项）课题、以及国家自然基金和航空基金等项目。在项目研究过程中，认识了行业内的许多著名专家和学者，他们分别是，中国航发沈阳发动机研究所刘永泉总设计师、王德友副总师、杜少辉副总师、吴法勇副总师、冯国全研究员、李成刚研究员、姜广义研究员、胡伟研究员、黄海研究员、吴英祥高工等；空军研究院航空兵研究所的尉询楷高工、赵雪红高工；中国航发商用航空发动机有限责任公司曹明研究员、宋会英高工；中国航天三院第31研究所的廖仲坤研究员、邵伏勇研究员、张华高工；北京航空航天大学的洪杰教授、马艳红教授、张大义副教授等；西北工业大学的廖明夫教授、王四季副教授；哈尔滨工业大学的陈予恕院士、刘占生教授、王黎钦教授、曹登庆教授、张广辉教授、侯磊副教授、张传伟副教授；东北大学的韩清凯教授、马辉教授、罗忠教授等；天津大学的曹树谦教授等；西安交通大学的陈雪峰教授、曹宏瑞教授；以及南京航空航天大学的罗贵火副教授、臧朝平教授、李舜酩教授等。聆听专家们的学术观点，感受他们的学术思想，使我茅塞顿开，受益匪浅，在此表示衷心感谢！
最后还要特别感谢作者的研究生所做的一些创新性研究成果，其中硕士生有：2006级的周海仑和李兴阳、2011级的乔保栋、2012级的赵文涛、2013级的赵斌、2014级的宋培培、2015级的谢阶栋、2018级的杨默晗、2019级的李伦绪；博士生有：2011级的于明月、2013级的王海飞、2015级的屈美娇，在此谨向他们所做的工作表示感谢！
由于水平有限，本书尚存诸多疏漏和不足之处，恳请读者批评指正！
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