○文/陳國輝

情系工程學 伴行“中國夢”
——記我國著名工程非線性振動專家、天津大學機械工程學院和哈爾濱工業(yè)大學航天學院教授、博導陳予恕院士

○文/陳國輝

陳予恕，工程非線性振動專家，天津大學機械工程學院和哈爾濱工業(yè)大學航天學院教授、博士生導師。1931年3月29日出生于山東肥城；1956年畢業(yè)于天津大學機械系，留校工作至今；1963年獲蘇聯(lián)科學院機械所副博士學位；1986年加拿大貴富大學作訪問學者；1998年當選為俄羅斯應(yīng)用科學院外籍院士；2005年當選中國工程院院士。2006年被聘來哈工大任教。作為第一完成人，先后獲國家自然科學二等獎（2003年）和國家科技進步二等獎（2005年）各1項，省部級科技獎勵一等獎3項、二等獎6項，中國專利優(yōu)秀獎1項（2010年）和天津市專利金獎1項（2010年）。他發(fā)表的300篇論文中收入SCI、EI共150多篇，出版專著4部。他還主持完成了國家重要科技項目20余項，促成并發(fā)展了新的學科方向——工程非線性動力學，其理論成果如C-L方法達到了國際領(lǐng)先水平；非線性動力學理論的工程應(yīng)用方面處于國際前列，為我國工程學發(fā)展做出了突出貢獻。

陳予恕院士

機械工程學是人類社會發(fā)展史上歷史最為悠久的學科之一，也是對人類社會的進步作出巨大貢獻的學科之一。有學者提出，在人類社會發(fā)展進程中，物質(zhì)性演化過程經(jīng)歷了由以工具——材料性工程為主要引領(lǐng)的工程推動階段，到以動力——能源性工程為主要引領(lǐng)的工程系統(tǒng)推動階段，再到以信息——網(wǎng)絡(luò)性工程為主要引領(lǐng)的工程系統(tǒng)推動階段，并又正在進入以生命——智能性工程為主要引領(lǐng)的工程系統(tǒng)推動階段。可以說，社會需求是工程演化發(fā)展的強大拉力，科技進步是工程演化發(fā)展的直接推力。而機械工程學等新產(chǎn)業(yè)（行業(yè)）自工業(yè)革命催使其誕生以來，隨著人類社會的文明進步而不斷發(fā)展演化著。

如今，機械工程學已經(jīng)發(fā)展成為一門涉及機械、電子、電氣、控制技術(shù)和計算機技術(shù)等多學科的綜合性學科。機械工程學與其他技術(shù)的結(jié)合形成了諸多新興的學科和技術(shù)，如機電一體化技術(shù)等。這些新技術(shù)給人類社會帶來了巨大的影響，也促使機械工程學本身的應(yīng)用領(lǐng)域和研究內(nèi)容不斷地產(chǎn)生變革。然而，無論這一學科發(fā)展到什么階段，陳予恕的名字將永遠和工程非線性振動這一推動機械工程學發(fā)展的新學科一起，成為中國機械工程學創(chuàng)新發(fā)展歷程上的一個成功典范。而他幾十年堅韌執(zhí)著、開拓進取的精神，也讓他的個人價值得到了充分釋放。

發(fā)展，是最初的動力

作為我國工程非線性振動的主要創(chuàng)始人之一，陳予恕院士見證了我國機械工程學的發(fā)展歷程。他介紹說，上世紀下半葉，新中國剛剛成立時，我國從“一五”計劃開始，進行了大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)，著手進行了以蘇聯(lián)設(shè)計的156項工程為中心的，由限額以上的694個大中型建設(shè)項目組成的工業(yè)建設(shè)，為我國社會主義工業(yè)化奠定了初步基礎(chǔ)。在此以后的計劃經(jīng)濟時期，我國的工程發(fā)展雖然也有曲折，但其取得的巨大成就仍然令世界矚目。特別是改革開放后，我國的工程技術(shù)發(fā)展更取得了史無前例的成就，令世界驚嘆。

社會需求不斷牽引和推動我國航天工程的演化發(fā)展，上世紀七十年代后期，我國的“兩彈一星工程”達到了相當?shù)乃?，航天工程已初具?guī)模。到了八十年代末和九十年代初，由于改革開放和經(jīng)濟社會的發(fā)展，對航天工程的社會需求進一步劇增，極大地刺激、拉動了航天工程的發(fā)展，促使我國新型火箭、衛(wèi)星、飛船的設(shè)計與研制生產(chǎn)水平大幅度的提高。而如今的三峽工程、載人航天、探月工程、移動通信、量子通訊、北斗導航、載人深潛、高速鐵路、超高壓輸電線路、航空母艦等工程技術(shù)成果的不斷涌現(xiàn)，更是為我國工程學發(fā)展提供了堅強支撐，也為我國作為一個有世界影響的大國奠定了重要基礎(chǔ)。

正是源于科技創(chuàng)新對一個國家發(fā)展的重要影響考慮，我國在“十二五”期間創(chuàng)造性的提出創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。習近平總書記也多次強調(diào)，自古以來，科學技術(shù)就以一種不可逆轉(zhuǎn)、不可抗拒的力量推動著人類社會向前發(fā)展。從某種意義上說，科技實力決定著世界政治經(jīng)濟力量對比的變化，也決定著各國各民族的前途命運。

陳予恕博導與學生畢業(yè)合影

創(chuàng)新，已經(jīng)成為一種使命

每個人都是為了某種事業(yè)而誕生，每個人的生命都是一種經(jīng)歷；生命的價值，正是在跑好自己承擔的這一里程中體現(xiàn)出來的。而陳予恕好像就是專為機械工程學而誕生的，自1956年畢業(yè)于天津大學機械系以來，便踏上了機械工程的科研創(chuàng)新和教學共同探索的征程。

當時，風華正茂的陳予恕帶著一份好奇心和對工程學的敏感投入到了非線性振動的研究中，他相信，只要不斷到實踐中去發(fā)現(xiàn)和挖掘新問題和新現(xiàn)象，通過查閱文獻工作和到工程實踐中去了解動力學結(jié)構(gòu)的工作原理，在運行過程特征和故障治理等進行實踐知識的積累，就能為研究這些“新現(xiàn)象”、“新問題”的機理提出恰當?shù)?、正確的和新穎的科學命題，并通過分析對比，去粗取精，抓住其影響動力學行為的主要矛盾因素，建立能反映其動力學行為本質(zhì)的科學（數(shù)學）理論方程，然后探討用新的數(shù)學理論去求解它，最終結(jié)果就能釋明原有理論不能說明的現(xiàn)象，建立起新理論和新方法。

于是，在進行非線性振動理論研究時，陳予恕帶領(lǐng)課題組對同一個杜芬型非線性參激系統(tǒng)進行了分析，發(fā)現(xiàn)世界著名專家Mitropolsky（蘇聯(lián)）和Nayfeh（美國）所得到的1/2亞諧周期解的響應(yīng)曲線有本質(zhì)的定性的不同，為什么對同一個方程有兩種不同的解的結(jié)果？到底誰的正確？為了解開這個困惑國際學術(shù)界20～30年的難題，他和W.F.Langford教授在調(diào)研數(shù)學相關(guān)最新成果的基礎(chǔ)上，建立了更有廣泛代表性的含多種非線性因素的微分方程，并給以求其1/2亞諧分岔解的命題。他們試著用平均法、對稱論、突變論、奇異性理論和分岔理論等多種理論方法對之進行求解分析，最后，他們創(chuàng)造性的提出了分岔理論方

陳予恕院士（中）與“陳予恕獎學金”獲得者（后排）合影

法，揭示了解的拓撲結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)參數(shù)間的聯(lián)系，為非線性振動學科的發(fā)展做出貢獻，該方法被國際同行命名為C-L（Chen-Langford）方法。他們建立的C-L方法將非線性振動求周期解的理論方法發(fā)展到可求其分岔解。陳院士也因此成為我國工程非線性振動的主要創(chuàng)始人之一。

C-L方法將Lyapunov-Schmidt方法與奇異性理論結(jié)合，提出了能揭示非線性振動系統(tǒng)拓撲周期分岔解與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間關(guān)系的方法，成功統(tǒng)一了長期困擾非線性振動學術(shù)界的有關(guān)非線性參數(shù)激勵系統(tǒng)似乎矛盾的結(jié)果，也為進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、參數(shù)識別和分岔控制提供了新的途徑。

1988年，陳予恕院士發(fā)表了關(guān)于“非線性參激系統(tǒng)的亞諧分岔解”的文章，之后，他們還相繼請來了國外專家為我國青年學生講授“動力系統(tǒng)”課程，這讓非線性動力學研究在我國逐步引起不少學者的關(guān)注和參與，特別是在他組織了我國十多個著名高校和科研生產(chǎn)單位的幾十名專家，共同承擔了國家自然科學基金九五重大項目“大型旋轉(zhuǎn)機械非線性動力學問題”后，他們又在非線性動力學理論及其工程應(yīng)用方面取得了一系列重大的成就。

首先，陳予恕等人在運用C-L方法及其思想深入分析故障非線性機理的基礎(chǔ)上，提出大型旋轉(zhuǎn)機械重大振動故障非線性治理的五項新技術(shù)——非線性油膜振蕩參數(shù)綜合（偏心量、潤滑、軸承負荷分配）治理技術(shù)、軸系支承內(nèi)共振綜合治理技術(shù)、裂紋類型故障綜合類比技術(shù)、碰摩故障治理技術(shù)以及軸系外伸端不平衡的非線性治理技術(shù)，這些技術(shù)在天津、黑龍江等七省市11個發(fā)電廠的共2830MW的機組上得到了成功的應(yīng)用。

其次，他們推動了大型旋轉(zhuǎn)機械和振動機械非線性動力學的非線性設(shè)計技術(shù)的進一步發(fā)展：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學參數(shù)優(yōu)化——通過系統(tǒng)的動態(tài)行為機理分析，以達到理想的動態(tài)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計參數(shù)；結(jié)構(gòu)動強度優(yōu)化——整體結(jié)構(gòu)任何部件的動強度都應(yīng)少于或不超過平均動應(yīng)力；動剛度優(yōu)化技術(shù)——整體或部件模態(tài)數(shù)據(jù)都應(yīng)符合工作頻率的動態(tài)要求。他們提出的動力學結(jié)構(gòu)參數(shù)的三優(yōu)設(shè)計技術(shù)，為我國機械工程學的發(fā)展增加了濃重的一筆。

探索，是為了尋找“用武之地”

近六十年的探索和實踐，換來的不僅是榮譽，更是對國家經(jīng)濟利益和社會利益的保護。如今，陳予恕建立的C-L方法已成功應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)機械和振動機械的設(shè)計和故障治理工程，且取得了可喜的成績，并正在向雙轉(zhuǎn)子、滾動軸承、機匣系統(tǒng)等其它動力學系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

在治理大型旋轉(zhuǎn)機械頻發(fā)的振動故障方面，C-L方法突破了傳統(tǒng)線性理論故障建模和機理分析方法，采用非線性分析技術(shù)，查明故障機理及原因，為治愈七省市18臺大型火電機組的重大振動故障提供科學依據(jù)和對策，累獲經(jīng)濟效益4億多元；對國產(chǎn)4臺20萬千瓦勵磁機支撐系統(tǒng)進行非線性設(shè)計改造，根治了振動失穩(wěn)頑疾；研制出國內(nèi)最大的32平方米非線性共振篩，同比節(jié)能50%、篩分率高出20%。有效發(fā)展了非線性動力學理論，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。

然而，這些成績并不能阻止陳予恕院士的創(chuàng)新步伐，他說，C-L方法及其思想自上世紀80年代中期提出至今，在發(fā)展非線性振動理論、深入分析非線性動力學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其分岔動態(tài)行為的影響、對系統(tǒng)通向混沌道路的探討、對旋轉(zhuǎn)機械、振動機械、機翼顫振、車輛行駛穩(wěn)定性等動力學結(jié)構(gòu)故障機理分析及其失穩(wěn)控制等理論及其工程應(yīng)用領(lǐng)域都有很多應(yīng)用，取得了很大的成效。但是限于“非線性動力系統(tǒng)理論”的發(fā)展水平，C-L方法目前只能分析低維系統(tǒng)（簡化的系統(tǒng)）的分岔動態(tài)行為的機理，對復雜大系統(tǒng)（如他們團隊目前承擔的課題-雙轉(zhuǎn)子、中介滾動軸承、機匣系統(tǒng)振動傳遞與故障溯源）尚不能進行其動態(tài)行為的理論分析，故尚不能滿足復雜大系統(tǒng)動力學設(shè)計對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的要求。

對照錢學森先生解決復雜大系統(tǒng)動力學行為分析設(shè)計的經(jīng)驗：“基于經(jīng)驗的積疊，運用定性和定量相結(jié)合，最后定量的綜合集成的方法?！保梢?，目前大多數(shù)非線性動力學研究工作，只是完成了前面兩步，即建立簡化數(shù)學模型，進行定性分析。由于多數(shù)實際工程動力學結(jié)構(gòu)都是十分巨大和復雜的，因而，所得到的定性的理論結(jié)果，對大系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取的需求尚無法精確的滿足。

對此，陳予恕院士認為，為了能設(shè)計出性能良好的大型動力學結(jié)構(gòu)，目前的研究工作在完成前兩步的基礎(chǔ)上還要完成錢學森先生提出的第三步，即在“定性理論的指導下的全系統(tǒng)定量計算分析”，從而做到設(shè)計的主要動力學參數(shù)優(yōu)化，以保證建成的動力學結(jié)構(gòu)能達到設(shè)計要求的動態(tài)指標，而這方面的工作也正是他們結(jié)合目前承擔項目的努力方向。

陳予恕院士正在進行轉(zhuǎn)子實驗研究

培育，是為了更好的發(fā)展

作為天津大學和哈爾濱工業(yè)大學的教授、博士生導師，陳予恕院士認為，想要把我國建設(shè)成偉大富強的國家，建設(shè)成創(chuàng)新型國家，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才十分重要，而培養(yǎng)研究生正是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的主要途徑之一。為此，他在教學工作中可謂是殫精竭慮，在研究生教學和培養(yǎng)方面，他始終在思考和探索如何通過師生雙方的努力，使學生在學識學力上將導師和本學科當前已經(jīng)取得的成果精髓繼承下來、傳承下去，并同時使學生探索出自己的學習方略，從而能實現(xiàn)繼承基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。

另外，陳予恕院士不僅嚴格要求學生，同時還要求自己要不斷了解學習本學科所取得的最新成果和國家的重大需求，希望能組織自己的團隊和團結(jié)同行專家共同為發(fā)展我國的科技事業(yè)貢獻力量。為此，在教學中，他要求研究生要掌握雄厚的基礎(chǔ)理論和學科最新成果，嚴格完成研究計劃；通過組織定期學術(shù)討論會、專題講習班、全國學術(shù)交流會，共同攻關(guān)科研任務(wù)，加強國際交流等環(huán)節(jié)來培養(yǎng)研究生的道德人品、學識學力和治學方略等方面的能力。

到目前為止，陳院士已經(jīng)培養(yǎng)研究生143名，其中，已畢業(yè)的研究生在全國“動力學與控制”學科發(fā)展方面正在發(fā)揮著積極的作用，有70多名碩、博士研究生已成為我國工程非線性動力學科技骨干，4人獲得國家杰出青年基金項目，2人被評為新世紀人才。他參與主編著作11冊，其中獨著4冊，兩冊專著同時為碩士生教材，兩本（一本為英文版，Springer（London） 1998出版）專著同時為博士生教材。

人生八十不稀奇，不用揚鞭自奮蹄，筆耕不止愚公志，奮斗終不移。也許，這句話才能夠真正表達陳予恕院士對科研的執(zhí)著，對祖國的熱愛。因為即使已到耄耋之年，他仍懷著滿腔熱情親自為祖國培養(yǎng)著高新人才，他希望通過師生的共同努力，有越來越多的高質(zhì)量人才為祖國獻力，他更希望通過所有華夏兒女的共同努力，我們的“創(chuàng)新中國夢”能夠早日實現(xiàn)。