黃文虎 -機械動力學與振動專家

黃文虎

黃文虎,力學家、振動工程專家和教育家。長期從事振動、控製及穩定性理論方面的研究工作。結合中國大型汽輪發電機組及其他復雜結構,提出了新的調頻理論與演算法,將結構故障的振動診斷技術套用于產品開發,取得顯著效果。

  • 中文名稱
    黃文虎
  • 出生地
    上海市
  • 出生日期
    1926年7月22日
  • 職業
    力學家、教育家、振動工程專家
  • 畢業院校
    浙江大學
  • 代表作品
    振動系統參數識別的三個新方法

生平概況

黃文虎,1926年7月22日出生于上海市一個普通職員的家庭裏。父親當時任永康縣郵政局長,工資不算高,還要養活6個子女,但在抗日戰爭前生活還算過得去。父親忠厚老誠,對子女要求很嚴格,希望他們都能讀書成才。黃文虎5歲開始在永康縣讀國小,10歲轉入鄰縣金華中學附小讀高小,後考入金華中學。金華中學在浙江很出名,師資力量強,培養了很多優秀人才。1942年,金華縣城淪陷,金華中學轉入農村非淪陷區辦學,經常輾轉遷移,辦學條件很艱苦,但教師教學仍然很認真,學生學習也很刻苦。這樣的環境培養了學生的愛國熱忱和勤奮向上的意志。

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1945年日本侵略軍投降後,他考入著名的浙江大學電機系學習。國民政府的腐敗使學生們不能平靜地學習。1947年春,浙江大學學生自治會主席于子三在獄中被國民黨反動派迫害致死,學生們舉行悼念遊行,為于子三申冤,國民黨軍警特務沖進學校與學生一片混戰。1948年,著名學者馬寅初去浙江大學演講,揭露當局的法西斯暴行。接連不斷的反內戰、反飢餓的學生運動,使黃文虎了解了民族災難的根源,開始思考時代的弊端,接受了進步思想的影響,參加了一些學生運動的活動。1949年5月,杭州解放,他立即被抽調到杭州市軍事管製委員會財經部參加接管杭州電信局的工作。同年9月,他又由浙江大學分配到天津中央電工二廠做甲種實習員工作。他在這裏認識了從中央大學畢業的吳瑤華女士,1953年在哈爾濱結為伉儷。兩人從認識開始就志同道合,相濡以沫,在事業上相互支持,被稱為事業型夫妻的楷模。

1950年9月,他和吳瑤華共同被招聘到哈爾濱工業大學研究班做理論力學在職研究生。1952年1月,黃文虎開始擔任理論力學助教,隨即擔任教研室副主任,一邊從事教學工作,一邊完成研究生結業論文。1954年3月研究生結業。黃文虎的結業論文是有關振動理論的課題,從此,他與振動結下了不解之緣。1955年,他晉升為講師,隨後調任哈爾濱工業大學圖書館副主任工作。1957年又調回理論力學教研室擔任副主任工作。1959年1月,擔任該校數理力學系副主任。1962年9月,擔任工程力學系飛行器結構強度教研室主任,同年提升為副教授,主講振動理論、空氣彈性動力學等課程。1973年1月,擔任基礎課委員會副主任。1977年9月,擔任飛行器整體研究室負責人。1979年,他晉升為教授。1981年5月,任哈爾濱工業大學副校長,主管科研工作,同年被批準為一般力學博士生導師。1983年1月至1985年3月,任哈爾濱工業大學校長,兼任研究生院院長。

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黃文虎在50年代和60年代做過一些小型的、個別的振動理論方面的研究工作,其論文曾被蘇聯<學術評論>所摘引,但真正開展科研工作是從70年代開始。他在振動理論、自動控製及穩定性理論等多方面有很深的造詣,在動力學系統的穩定性、動力學的反問題及結構動力學方面有新的發展,發表學術論文百餘篇,而且還主編了中國第一部《振動與沖擊手冊>一至三卷。他突出的特點是重視科學為生產服務,善于將理論套用于解決工程實際問題。他在衛星動力學與控製、捆綁火箭結構動力分析、汽輪機葉片的振動設計及汽輪發電機組的故障診斷等方面完成了多項高技術與攻關課題,取得了創造性的成果,同時也發展了理論套用研究。他先後獲得國家科技進步獎1項、部級科技進步獎4項,其中航天部一等獎1項、二等獎3項。1991年,他被授予航空航天工業部有突出貢獻的老年科學家的光榮稱號。同年,他被列入美國<馬爾奎斯科學與工程名人錄>。

黃文虎多年從事力學方面的教學工作,是中國首批批準的一般力學博士生導師,在培養中國高層次科學技術人才方面做了大量工作。他親手培養了18個博士生,其中8人已取得博士學位,一人被評為全國有突出貢獻的博士學位得主。

振動分析設計

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黃文虎在50年代和60年代主要從事教學工作,他在振動理論方面打下了堅實的基礎,寫過一些論文,但還沒有和工程問題結合起來。1972年,黃文虎到哈爾濱汽輪機廠,參加了國產60萬千瓦汽輪機的設計工作。按氣動力要求,該機末級葉片長達1米,葉片所承受的離心力近萬噸,為提高葉片動剛度和強度,決定採用拱形圍帶和松拉金整圈連線方案。但這一方案結構復雜,調頻原則不明,當時國內外尚未見到有關設計方法,這樣,長葉片設計就成了60萬千瓦機組設計的一個關鍵問題。黃文虎深入調查,和工廠設計人員一起構造力學模型,推導振動方程,在沒有國外資料的條件下,利用自己長期積累的振動知識,提出了一種全新的理論與計算方法。他與設計人員一同編排程式,一起計算,最後又一起作振動模型試驗,試驗結果證明黃文虎所提出的被稱之為“三重點”調頻理論是正確的,使得長葉片設計工作得以順利進行。利用這一方法,使設計的長葉片既輕巧,又安全,節省了大量合金材料,和法國同類自由長葉片相比,約輕1/3左右。他所設計的1米長葉片在東方汽輪機廠已用于生產,並已有3年以上的安全運行考驗。這一理論當時在國內外是首創的,已用于20萬千瓦、30萬千瓦等機組,填補了中國汽輪機長葉片振動計算中的空白,取得了重大的社會經濟效益。有關這方面的文章《整圈連線葉片組的自由和受迫振動》、《具有隨機參數的周期結構的振動》分別于1981年和1982年發表在美國的權威雜志《美國航空航天學報》上.該雜志的審稿人認為這是沒有別的文章所能比得上的。

黃文虎在回轉機械的振動方面積累了豐富的經驗,經常下廠指導解決實際問題。1990年,哈爾濱汽輪機廠生產的第24台艦用汽輪機因振動超差影響出廠。黃文虎正確地提出了降低軸承長徑比的簡便而有效的措施,從而使機組振動量從60μ降至了3μ左右,徹底地解決了機組振動問題,也解決了某艦在港口等數月而不能出海的問題,並為工廠挽回了數以百萬元計的經濟損失。

在航天飛行器振動的研究方面,黃文虎也做了大量工作。例如在彈翼振動計算、艙體翼面組合結構振動分析、艙段連線剛度識別和尾翼顫振分析等多方面取得一系列理論和套用成果。“艙體翼面組合結構振動分析和計算程式”課題曾獲航天部科技進步一等獎。

在飛彈回響分析方面,針對受控細長體飛行器,提出了閉回路系統動回響分析方法,為設計部門提供了實用手段。

結構動力學

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黃文虎是在中國率先提出研究動力學反問題的人之一。動力學的正問題一般是指已知系統模型和輸入,求系統輸出,這一問題研究得比較成熟。動力學反問題是指已知系統的輸入和輸出,求系統的數學模型(或稱建模),或已知系統的數學模型及輸出,求系統的輸入(在結構動力學中稱為載荷識別)。反問題是70年代以來科學發展的前沿問題,有極其廣泛和深遠的前景。黃文虎將自動控製理論中的系統辯識理論套用于振動參數的辯識中,並把研究重點放在還不成熟的時域方法上,得出了振動參數可辯識性條件的若幹結論。他發展了結構振動參數的辯識方法,提出了一些計演算法,在提高識別精度、抗幹擾能力、鑒別虛假模態等方面作出了重大改進。因而在結構動力學的反問題研究方面取得了較系統的成果,在“結構振動參數識別的理論基礎研究”方面獲得航天部科技進步二等獎。

黃文虎還利用自然科學基金的資助,研究了在生產現場背景條件下的振動參數辯識問題,把參數辯識這一新技術從實驗室推向工程套用領域。生產現場背景下的參數辯識存在很多困難,拿高速轉子來說,首先是很難實施人工激勵,利用結構本身與環境激起的振動資料進行識別時,則輸入是未知的。其次是在現場條件下觀測資料是很有限的。在輸入資料和觀測資料都不足的條件下,他盡可能地套用其中的已知條件,解決了在現場不施加人工激勵條件下辯識轉子油膜剛度這個至關重要而又困難的問題,提出了部分激勵參數與部分結構參數統一識別的理論和方法。

振動診斷技術

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結構和設備故障的監測、預報和診斷一直是人們關心的問題。美國現在在大型客機上都裝有故障診斷和預報裝置,以防止災難性事故的發生。中國某電廠大型機組的惡性事故的發生,促進了更重視對故障診斷技術的研究。黃文虎在六五期間就承擔了國家科技重點攻關項目“汽輪發電機組振動監測與故障診斷方法的研究”。他在診斷理論方面最早引入模糊數學,提出了模糊診斷等新概念和方法,把人工智慧專家系統理論及新一代電腦的神經網路理論和方法引入故障診斷。這些開創性的工作為故障診斷開闢了新路。他還重視理論成果的轉化,致力于故障診斷設備的研製和開發工作,在國內較早和成功地將微機套用于汽輪發電機組和振動監測與故障診斷上,開發了幾套具有中國特色的振動監測與故障診斷系統。這些系統具有振動測試,資料採集、分析、計算、顯示、列印、繪圖與例行日報的全自動化功能。設備發生故障時,可自動預報並通過電腦專家系統進行故障性質的診斷。這些系統可將大量機組運行資料儲存起來,隨時通過人機對話查閱歷史運行資料。其中,“故障自動模糊診斷系統”可對故障進行自動診斷、自動預報。該系統于1985年10月通過機械工業部的鑒定,通過大慶新華電廠的套用,運行良好。1987年,黃文虎負責的“汽輪發電機組振動監測與故障診斷方法的研究”獲航天工業部科技進步一等獎。1989年1月18日, <光明日報>記者還報導了黃文虎、夏松波建議採用先進監測手段,改變現行發電設備檢修製度的倡議。該項目在全國推廣後,將帶來巨大的經濟效益。

航天器動力學

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大型空間飛行器結構,如空間站、具有太陽帆板的衛星等都具有多體、柔性等特點。黃文虎開展了多柔體動力學的研究,完善了鏈狀、樹型、簇型等結構的建模、降階及求解,發展了多柔體動力學,並且結合中國空間機械臂的動力學與控製問題,完成了高技術“863-205專家組”提交的課題。

針對中國載人航天器的運載系統將採取“捆綁火箭”結構,黃文虎負責完成了“復雜組合體飛行器的結構動力學分析與試驗研究”及“天地往返運輸系統的結構動力穩定性分析”等兩個課題。黃文虎還結合中國新一代通信衛星的研製,完成了“具有撓性太陽帆板的三軸穩定衛星動力學與控製”課題的研究,獲航天工業部科技進步二等獎。該課題對國際有關資料進行了深入全面的分析,結合中國衛星研究的具體情況,在國內首次提出了本類衛星力學分析的軟體系統,為中國進行這類衛星的整體設計和方案比較提供了實用手段。該研究成果已交有關設計部門付諸實際套用。

動力學系統研究

黃文虎在集中精力解決工程實際問題的同時,也註意理論問題的研究,特別是學科前沿的理論問題。他對線性動力學系統的特征結構配置問題研究,突破了前人僅限于定常系統的局限,提出了時變線性系統的特征結構配置理論,證明其穩定性不再由系統的特征值唯一決定,還與系統的特征向量有關的重要結論,對解決時變系統的控製問題提供了一條途徑。

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針對中國將發展載人航天技術,黃文虎在空間飛行器交會對接動力學與控製問題上,對時間固定、有限推力問題得到一系列封閉解,突破了前人的結果。對大系統理論,提出了Lyapunov函式的時變加權和的思想,還發展了變結構方法,用于解決飛行器大系統的控製設計。在<力學學報>1989年第6期上發表的論文《廣義正定矩陣及其在穩定性分析中的套用》,擴展了用正定矩陣理論解決問題的範圍,針對飛行器模態成長及多種不確定因素發展了不確定動力學系統的魯棒穩定性分析理論和方法,為中國航天器設計及其交會對接提供了技術儲備。

黃文虎在教材建設方面也做過很多工作。50年代初,他參加了翻譯出版蘇聯伏龍科夫著的《理論力學》和密歇爾斯基著的《理論力學習題集》,還參加了目前高教出版社出版的<理論力學>第一版的部分章節編寫工作。60年代,他編寫了工程力學專業用的<振動理論>與<空氣彈性力學>講義。80年代,參加主審了<航空發動機強度設計,試驗手冊> ,該書獲航空工業部科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。書中收入了黃文虎的有關葉片振動分析所做的理論研究及所發展的演算法與程式。80年代末,主編了由國防工業出版社出版的<振動與沖擊手冊>第一、第二、第三卷。該書既包括基本理論研究,又註重了工程套用,緊密結合中國國情,反映了這一領域的最新成果。

人物簡歷

1926年7月22日生于上海市。

1945—1949年浙江大學電機系學習,獲學士學位

1949—1950年任天津中央電工二廠甲種實習員。

1950—1954年哈爾濱工業大學研究班學習,作理論力學在職研究生,邊工作、邊學習。

1955—1957年任哈爾濱工業大學講師、圖書館副主任。

1957—1958年任哈爾濱工業大學理論力學教研室副主任。

1959—1962年任哈爾濱工業大學副教授、數理力學系副主任。

1962—1966年任哈爾濱工業大學飛行器結構強度教研室主任。

1979年任哈爾濱工業大學教授。

1981—l983年任哈爾濱工業大學副校長,1983至1985年任校長。

1984—1987年任哈爾濱工業大學研究生院院長。

1987年—任哈爾濱工業大學學術委員會主任,並兼任國家自然科學基金委員會委員、國務院學位委員會學科評議組成員、航空航天部科技委員會委員、中國科協全國委員會委員、黑龍江省科協主席、中國振動工程學會副理事長、中國宇航學會常務理事、中國航空學會名譽理事、黑龍江省宇航學會理事長、 <振動工程學報>副主編、 <振動與沖擊>主編。

主要論著

1黃文虎等.振動系統參數識別的三個新方法.航空學報,1986,7(6).

2黃文虎主編.振動與沖擊手冊,第一卷(基本理論).北京:國防工業出版社,1988.

3黃文虎等.廣義正定矩陣及其在穩定性分析的套用.力學學報,1989,21(6).

4黃文虎等.層狀介質平面交界裂紋的彈性波(P波和SV波)散射研究.航空學報,1989,10(9):9.

5黃文虎等.帶彈性附屬檔案的衛星姿態動力學方程.宇航學報,1989(2).

6黃文虎等.時變線性系統的特征結構配置問題.中國科學(A輯),1990(5).

7黃文虎等.模型跟隨大系統的穩定性分析與時變加權和方法.科學通報,1990(2).

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