本书以转子轴承系统动力学理论为基础，针对广泛应用于燃气轮机和航空发动机动力系统中的拉杆组合转子轴承系统，阐述了含裂纹故障的复杂拉杆组合转子轴承系统动力学建模和动力学特性规律研究方法。从拉杆组合转子轴承系统结构特征和裂纹转子轴承系统动力学发展现状入手，结合转子系统裂纹表征与建模方法、微观粗糙界面接触等基础理论知识，分别采用一维和三维方法研究了含裂纹拉杆组合转子系统动力学方程构建方法、系统方程求解策略、系统非线性动力学特性规律、三维裂纹及其奇异性对拉杆转子系统应力分布重组的影响规律，同时阐述了拉杆裂纹故障组合转子动力学特性验证试验设计方法及试验分析结果。本书内容对于复杂组合转子系统裂纹故障监测、识别及诊断具有一定的参考价值。
本书适用于旋转机械动力学、界面接触-摩擦-润滑、裂纹故障、动力学及机械振动等领域科研工作者和工程技术人员阅读，亦可作为普通高等院校机械工程、能源动力等工程类专业师生的参考资料。

第1章 绪论 001
1.1 概述 002
1.2 转子轴承系统典型裂纹故障案例 003
1.3 一般整体转子轴承系统结构特点 004
1.4 拉杆组合转子轴承系统结构特点 005
1.4.1 中心拉杆组合转子结构特点 005
1.4.2 周向均布拉杆组合转子结构特点 007
1.5 裂纹转子轴承系统动力学发展现状 007
1.5.1 含裂纹故障的一般整体转子系统动力学特性 007
1.5.2 含裂纹故障的盘式拉杆组合转子动力学特性 017
1.5.3 三维裂纹故障转子系统的非线性动力学特性 021
1.5.4 裂纹转子动力学特性研究现状分析及研究意义 023
1.6 本章小结 025

第2章 转子系统中裂纹表征与建模方法 026
2.1 裂纹基本形式及其萌生—扩展 027
2.1.1 裂纹基本形式 027
2.1.2 裂纹的萌生与扩展 029
2.2 裂纹的表征与建模方法 031
2.2.1 裂纹刚度表达 031
2.2.2 裂纹开闭形式的模拟 033
2.3 裂纹前缘应力奇异性 035
2.4 本章小结 037

第3章 拉杆组合转子系统中接触界面的建模 038
3.1 粗糙界面接触基本理论模型 041
3.1.1 赫兹接触理论模型 041
3.1.2 GW 统计接触理论模型 042
3.1.3 分形接触理论模型 046
3.2 粗糙界面法向和切向接触刚度等效建模 049
3.2.1 法向接触刚度等效方法 049
3.2.2 切向接触刚度等效方法 054
3.3 微观界面与宏观转子系统的跨尺度等效方法 055
3.4 本章小结 056

第4章 一维拉杆裂纹组合转子轴承系统动力学建模及求解方法 058
4.1 一般整体转子轴承系统动力学建模 059
4.2 一维拉杆动力学模型 061
4.3 一维接触界面动力学模型 065
4.4 一维含拉杆裂纹建模及其转子系统非线性动力学模型 067
4.5 一维拉杆裂纹盘式拉杆组合转子系统动力学方程求解 068
4.6 一维拉杆裂纹组合转子轴承系统非线性动力学特性 069
4.6.1 系统非线性稳定性及分叉特性 069
4.6.2 裂纹深度对系统非线性动力学特性的影响 072
4.6.3 不平衡量对非线性动力学特性的影响 073
4.6.4 裂纹拉杆组合转子系统振动特性 088
4.7 本章小结 092

第5章 三维裂纹拉杆组合转子轴承系统动力学建模及求解方法 094
5.1 三维盘式拉杆组合转子系统动力学模型 096
5.1.1 三维有限元理论 096
5.1.2 三维盘式拉杆组合转子系统动力学方程 098
5.2 三维裂纹盘式拉杆组合转子系统动力学方程 098
5.2.1 坐标系的建立 099
5.2.2 三维裂纹组合转子系统动力学方程 099
5.3 三维含裂纹非线性动力学方程求解方法 104
5.3.1 周期解的求解 104
5.3.2 基于预估-校正机理下的周期解连续追踪求解方法 105
5.4 系统稳定性判断方法 106
5.5 本章小结 107

第6章 裂纹拉杆组合转子系统三维有限元建模及应力应变特性分析 109
6.1 拉杆组合转子系统中的裂纹位点分布 110
6.2 拉杆裂纹组合转子系统有限元建模 111
6.2.1 三维等参奇异单元建模方法 111
6.2.2 三维奇异裂纹及转子系统有限元建模 112
6.3 三维拉杆裂纹拉杆转子系统应力应变特性分析 115
6.3.1 三维拉杆裂纹组合转子系统应力分析 115
6.3.2 拉杆裂纹对三维盘式拉杆组合转子系统弯曲特性的影响 120
6.4 三维裂纹奇异性对拉杆转子系统应力分布重组的影响 121
6.4.1 盘根裂纹奇异性对系统应力分布重组的影响 121
6.4.2 轮盘裂纹奇异性对系统应力分布重组的影响 125
6.5 本章小结 129

第7章 三维拉杆裂纹组合转子系统非线性动力学特性 130
7.1 裂纹转动效应对拉杆组合转子系统动力学特性的影响 131
7.1.1 三维裂纹拉杆转子轴承系统基本参数 131
7.1.2 裂纹转动效应对非线性稳定性及分叉特性的影响 132
7.1.3 裂纹转动效应对系统振动特性的影响 132
7.2 三维拉杆裂纹组合转子系统非线性动力学特性研究 136
7.2.1 三维拉杆裂纹组合转子系统非线性稳定性及分叉特性 136
7.2.2 不平衡量对三维拉杆裂纹组合转子系统非线性动力学特性的影响 138
7.2.3 裂纹拉杆组合转子系统振动特性 147
7.3 本章小结 149

第8章 拉杆裂纹组合转子轴承系统动力学特性试验 151
8.1 拉杆裂纹组合转子轴承系统试验台设计 152
8.2 预紧力施加及裂纹模拟 155
8.2.1 预紧力的施加 155
8.2.2 拉杆裂纹模拟 156
8.3 动力学特性试验分析与验证 156
8.3.1 无裂纹拉杆组合转子系统振动特性 156
8.3.2 含裂纹拉杆组合转子动力学特性试验验证 156
8.4 本章小结 163

参考文献 164

旋转机械动力装备如重型燃气轮机、航空发动机、离心压缩机、发电机组等是我国国防和经济建设的重大装备，重型燃气轮机被喻为皇冠上的明珠，航空发动机则被喻为工业之花，此类装备的设计、制造、维护管理技术已发展为衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。2015年《政府工作报告》和《中国制造2025》更是明确提出要实施以航空发动机、燃气轮机为代表的重大工程专项项目和相关基础科学研究。
拉杆组合转子轴承系统作为航空发动机、重型燃气轮机、离心压缩机、发电机组等旋转动力机械装备中重要而典型的结构，其对整个动力设备及系统运行的安全性、稳定性和生产成本等具有重要的影响。拉杆组合转子轴承系统是一类典型的复杂组合旋转机械结构，与Jeffcott或Lavor等一般整体结构形式的转子轴承系统相比，其主要由多级轮盘、多根拉杆、多段转轴在大预紧力精密装配后通过多点支承轴承而成，零部件间接触界面众多，系统非线性耦合关系强烈，静动力学特性复杂，其本质是含有多种非线性因素的复杂组合转子系统动力学问题。
复杂组合转子系统在实际工作中常因材料内部缺陷、疲劳破坏、应力集中等产生裂纹甚至断裂，裂纹这一典型的故障形式在此类转子系统各类故障中占比突出，国内外由此引发的机组异常振动及重大事故屡见不鲜，其造成的危害及损失不容忽视。为了揭示裂纹故障对此类复杂拉杆组合转子系统动力学特性的影响规律，尽可能阐释实际中此类转子系统出现裂纹后异常振动的原因，本书从拉杆组合转子轴承系统的结构特点入手，阐述含裂纹故障转子轴承系统的动力学研究现状，进而从一维及三维角度研究拉杆组合转子轴承系统动力学模型建立方法，探究复杂组合转子轴承系统的非线性动力学方程的求解方法，研究此类复杂组合转子轴承系统的动力学特性规律。
本书共分8章，其安排如下：
第1章主要分析一般整体转子和拉杆组合转子轴承系统结构特点及裂纹转子轴承系统动力学发展现状。第2章主要阐述裂纹的基本形式、裂纹的萌生—扩展—断裂过程，裂纹开闭模拟及建模方法、裂纹奇异性。第3章主要介绍微观粗糙界面接触基本理论，粗糙界面法向及切向刚度等效方法，微观界面与宏观转子系统的跨尺度等效方法。第4章主要从一维角度出发，以一维整体转子轴承系统动力学模型为基础，建立一维拉杆和接触界面动力学模型，最终建立含有裂纹故障的拉杆组合转子系统非线性动力学模型。第5章在第3章的基础上，结合三维有限元理论和三维无裂纹盘式拉杆组合转子轴承系统动力学模型，建立三维含裂纹故障的拉杆组合转子轴承系统动力学模型，并给出了三维裂纹拉杆组合转子系统动力学方程周期解求解方法、系统稳定性判断方法。第6章给出了三维等参奇异单元的建模方法，建立相应裂纹拉杆组合转子系统的有限元模型，重点分析了拉杆裂纹对组合转子系统主要界面及系统整体应力分布的影响情况，进一步研究了盘根裂纹及轮盘裂纹奇异性对系统主要接触界面及系统应力分布重组的影响情况。第7章基于第5章建立的非线性动力学模型及求解方法，研究含裂纹故障的拉杆组合转子轴承系统的动力学特性，重点研究了三维拉杆裂纹组合转子系统非线性稳定性及分叉特性，裂纹转动效应影响，裂纹深度及不平衡量对三维裂纹拉杆转子系统非线性动力学特性和振动特性的影响情况。第8章主要介绍裂纹拉杆组合转子轴承系统综合试验台的设计与搭建、裂纹加工以及动力学特性试验。
本书是笔者长期从事旋转机械动力学、机械故障诊断及识别、粗糙界面接触-摩擦-润滑理论研究与应用等科研工作的积累，重点阐述了含裂纹故障的复杂组合转子轴承系统动力学建模方法和动力学特性规律研究方法，相关研究可为燃气轮机及航空发动机动力系统裂纹故障的监测、识别和抑制提供一定的理论参考和工程指导。本书同时也是山西省基础研究计划面上项目(202303021211168)、国家自然科学基金(No.51475357)、山西省高等学校科技创新计划项目(No.2022L293)、山西省优秀博士来晋工作奖励资金科研项目(No.2022140)、太原科技大学科研启动基金(2022034)工作的成果结晶。
本书适用于旋转机械动力学、界面接触-摩擦-润滑、裂纹故障、动力学及机械振动等领域科研工作者和工程技术人员阅读，亦可作为普通高等院校机械工程、能源动力等工程类专业师生的参考资料。
难如圣人所言“著书论道，贵在无为，理归静一，化本虚柔”，但求循道精进。拙著浅见，尚希所述些许内容能使从事或热爱本领域的读者拾遗补漏。
由于笔者学识浅陋，不足之处在所难免，但求抛砖引玉，恭闻百家之言，敬请方家多指正。

著者