情系工程学 伴行“中国梦”——记我国著名工程非线性振动专家、天津大学机械工程学院和哈尔滨工业大学航天学院教授、博导陈予恕院士

○文/陈国辉

情系工程学 伴行“中国梦”
——记我国著名工程非线性振动专家、天津大学机械工程学院和哈尔滨工业大学航天学院教授、博导陈予恕院士

○文/陈国辉

陈予恕，工程非线性振动专家，天津大学机械工程学院和哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师。1931年3月29日出生于山东肥城；1956年毕业于天津大学机械系，留校工作至今；1963年获苏联科学院机械所副博士学位；1986年加拿大贵富大学作访问学者；1998年当选为俄罗斯应用科学院外籍院士；2005年当选中国工程院院士。2006年被聘来哈工大任教。作为第一完成人，先后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）。他发表的300篇论文中收入SCI、EI共150多篇，出版专著4部。他还主持完成了国家重要科技项目20余项，促成并发展了新的学科方向——工程非线性动力学，其理论成果如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，为我国工程学发展做出了突出贡献。

陈予恕院士

机械工程学是人类社会发展史上历史最为悠久的学科之一，也是对人类社会的进步作出巨大贡献的学科之一。有学者提出，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。可以说，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。而机械工程学等新产业（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。

如今，机械工程学已经发展成为一门涉及机械、电子、电气、控制技术和计算机技术等多学科的综合性学科。机械工程学与其他技术的结合形成了诸多新兴的学科和技术，如机电一体化技术等。这些新技术给人类社会带来了巨大的影响，也促使机械工程学本身的应用领域和研究内容不断地产生变革。然而，无论这一学科发展到什么阶段，陈予恕的名字将永远和工程非线性振动这一推动机械工程学发展的新学科一起，成为中国机械工程学创新发展历程上的一个成功典范。而他几十年坚韧执着、开拓进取的精神，也让他的个人价值得到了充分释放。

发展，是最初的动力

作为我国工程非线性振动的主要创始人之一，陈予恕院士见证了我国机械工程学的发展历程。他介绍说，上世纪下半叶，新中国刚刚成立时，我国从“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。在此以后的计划经济时期，我国的工程发展虽然也有曲折，但其取得的巨大成就仍然令世界瞩目。特别是改革开放后，我国的工程技术发展更取得了史无前例的成就，令世界惊叹。

社会需求不断牵引和推动我国航天工程的演化发展，上世纪七十年代后期，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。到了八十年代末和九十年代初，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的提高。而如今的三峡工程、载人航天、探月工程、移动通信、量子通讯、北斗导航、载人深潜、高速铁路、超高压输电线路、航空母舰等工程技术成果的不断涌现，更是为我国工程学发展提供了坚强支撑，也为我国作为一个有世界影响的大国奠定了重要基础。

正是源于科技创新对一个国家发展的重要影响考虑，我国在“十二五”期间创造性的提出创新驱动发展战略。习近平总书记也多次强调，自古以来，科学技术就以一种不可逆转、不可抗拒的力量推动着人类社会向前发展。从某种意义上说，科技实力决定着世界政治经济力量对比的变化，也决定着各国各民族的前途命运。

陈予恕博导与学生毕业合影

创新，已经成为一种使命

每个人都是为了某种事业而诞生，每个人的生命都是一种经历；生命的价值，正是在跑好自己承担的这一里程中体现出来的。而陈予恕好像就是专为机械工程学而诞生的，自1956年毕业于天津大学机械系以来，便踏上了机械工程的科研创新和教学共同探索的征程。

当时，风华正茂的陈予恕带着一份好奇心和对工程学的敏感投入到了非线性振动的研究中，他相信，只要不断到实践中去发现和挖掘新问题和新现象，通过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，在运行过程特征和故障治理等进行实践知识的积累，就能为研究这些“新现象”、“新问题”的机理提出恰当的、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，最终结果就能释明原有理论不能说明的现象，建立起新理论和新方法。

于是，在进行非线性振动理论研究时，陈予恕带领课题组对同一个杜芬型非线性参激系统进行了分析，发现世界著名专家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，为什么对同一个方程有两种不同的解的结果？到底谁的正确？为了解开这个困惑国际学术界20～30年的难题，他和W.F.Langford教授在调研数学相关最新成果的基础上，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。他们试着用平均法、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，他们创造性的提出了分岔理论方

陈予恕院士（中）与“陈予恕奖学金”获得者（后排）合影

法，揭示了解的拓扑结构与系统参数间的联系，为非线性振动学科的发展做出贡献，该方法被国际同行命名为C-L（Chen-Langford）方法。他们建立的C-L方法将非线性振动求周期解的理论方法发展到可求其分岔解。陈院士也因此成为我国工程非线性振动的主要创始人之一。

C-L方法将Lyapunov-Schmidt方法与奇异性理论结合，提出了能揭示非线性振动系统拓扑周期分岔解与系统结构参数之间关系的方法，成功统一了长期困扰非线性振动学术界的有关非线性参数激励系统似乎矛盾的结果，也为进行结构优化设计、参数识别和分岔控制提供了新的途径。

1988年，陈予恕院士发表了关于“非线性参激系统的亚谐分岔解”的文章，之后，他们还相继请来了国外专家为我国青年学生讲授“动力系统”课程，这让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，特别是在他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，共同承担了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”后，他们又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。

首先，陈予恕等人在运用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、黑龙江等七省市11个发电厂的共2830MW的机组上得到了成功的应用。

其次，他们推动了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的进一步发展：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。他们提出的动力学结构参数的三优设计技术，为我国机械工程学的发展增加了浓重的一笔。

探索，是为了寻找“用武之地”

近六十年的探索和实践，换来的不仅是荣誉，更是对国家经济利益和社会利益的保护。如今，陈予恕建立的C-L方法已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，且取得了可喜的成绩，并正在向双转子、滚动轴承、机匣系统等其它动力学系统推广应用。

在治理大型旋转机械频发的振动故障方面，C-L方法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，为治愈七省市18台大型火电机组的重大振动故障提供科学依据和对策，累获经济效益4亿多元；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，根治了振动失稳顽疾；研制出国内最大的32平方米非线性共振筛，同比节能50%、筛分率高出20%。有效发展了非线性动力学理论，创造了巨大的经济价值和社会价值。

然而，这些成绩并不能阻止陈予恕院士的创新步伐，他说，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（如他们团队目前承担的课题-双转子、中介滚动轴承、机匣系统振动传递与故障溯源）尚不能进行其动态行为的理论分析，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。

对照钱学森先生解决复杂大系统动力学行为分析设计的经验：“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。”，可见，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精确的满足。

对此，陈予恕院士认为，为了能设计出性能良好的大型动力学结构，目前的研究工作在完成前两步的基础上还要完成钱学森先生提出的第三步，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，而这方面的工作也正是他们结合目前承担项目的努力方向。

陈予恕院士正在进行转子实验研究

培育，是为了更好的发展

作为天津大学和哈尔滨工业大学的教授、博士生导师，陈予恕院士认为，想要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。为此，他在教学工作中可谓是殚精竭虑，在研究生教学和培养方面，他始终在思考和探索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。

另外，陈予恕院士不仅严格要求学生，同时还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，在教学中，他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。

到目前为止，陈院士已经培养研究生143名，其中，已毕业的研究生在全国“动力学与控制”学科发展方面正在发挥着积极的作用，有70多名硕、博士研究生已成为我国工程非线性动力学科技骨干，4人获得国家杰出青年基金项目，2人被评为新世纪人才。他参与主编著作11册，其中独著4册，两册专著同时为硕士生教材，两本（一本为英文版，Springer（London） 1998出版）专著同时为博士生教材。

人生八十不稀奇，不用扬鞭自奋蹄，笔耕不止愚公志，奋斗终不移。也许，这句话才能够真正表达陈予恕院士对科研的执着，对祖国的热爱。因为即使已到耄耋之年，他仍怀着满腔热情亲自为祖国培养着高新人才，他希望通过师生的共同努力，有越来越多的高质量人才为祖国献力，他更希望通过所有华夏儿女的共同努力，我们的“创新中国梦”能够早日实现。