人人都可挖掘的巨大潛能—談科學(xué)方法論的應(yīng)用效果

聞邦椿

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

（接上期）

2.2 案例2：實(shí)現(xiàn)八大創(chuàng)新 創(chuàng)建新興學(xué)科

我對(duì)“振動(dòng)利用工程”的研究已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，這一成就的取得與我刻苦鉆研、堅(jiān)持創(chuàng)新密不可分。

1955年大學(xué)畢業(yè)后，當(dāng)時(shí)東北工學(xué)院來(lái)了一位蘇聯(lián)專家，給我創(chuàng)造了良好機(jī)遇。我牢牢把握良機(jī)，全身心投入機(jī)械振動(dòng)的學(xué)習(xí)和研究之中，將如何利用振動(dòng)為人類造福作為主攻方向。在此后的40多年的研究工作中，我首先提出了振動(dòng)利用工程的新概念，構(gòu)建了振動(dòng)利用工程新學(xué)科的理論框架，為振動(dòng)利用工程學(xué)科的若干分支提供了設(shè)計(jì)與計(jì)算的理論和方法，解決了工程中諸多難題和國(guó)家急需解決的一些重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，獲得了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。在這一新學(xué)科的研究中，我實(shí)現(xiàn)8個(gè)方面的創(chuàng)新：

2.2.1 研究了新原理

提出了概率等厚篩分的新原理，將概率篩分原理和等厚篩分原理結(jié)合在一起，創(chuàng)造出了一種集概率篩分和等厚篩分原理優(yōu)點(diǎn)的概率等厚篩分新原理；還利用振動(dòng)同步傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物料進(jìn)行破碎的新工藝。

2.2.2 發(fā)明了新機(jī)構(gòu)

研究出10余種新機(jī)構(gòu)，如激振器偏轉(zhuǎn)式自同步非共振新機(jī)構(gòu)、慣性共振式雙質(zhì)體近共振新機(jī)構(gòu)、雙激振器振動(dòng)破碎機(jī)的新機(jī)構(gòu)、不對(duì)稱彈性力的雙質(zhì)體非線性近共振新機(jī)構(gòu)、平衡加隔振振動(dòng)輸送的新機(jī)構(gòu)。

2.2.3 建立了新模型

提出了10多個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)新模型，例如慣性力項(xiàng)為非線性的動(dòng)力學(xué)模型、不對(duì)稱軟式分段線性動(dòng)力學(xué)模型、硬軟復(fù)合式分段線性動(dòng)力學(xué)模型、分段慢變的非線性的動(dòng)力學(xué)模型、雙參數(shù)慢變的非線性動(dòng)力學(xué)模型等。

2.2.4 發(fā)展了新理論

研究并提出了多種理論，如物料運(yùn)動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)理論和單質(zhì)體或多質(zhì)體系統(tǒng)的硬式、軟式、復(fù)合形式的非線性動(dòng)力學(xué)理論等，彈性元件為非線性的各類非線性振動(dòng)系統(tǒng)、帶滯回阻尼力的非線性系統(tǒng)、具有沖擊和摩擦的非線性振動(dòng)系統(tǒng)的理論等。

2.2.5 研發(fā)了新技術(shù)

如大長(zhǎng)度振動(dòng)輸送機(jī)常常會(huì)出現(xiàn)彈性彎曲振動(dòng)，為預(yù)防出現(xiàn)彈性彎曲振動(dòng)，研究出一種可以減輕或消除彎曲振動(dòng)新技術(shù)；在自同步振動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)振動(dòng)同步傳動(dòng)和在大型振動(dòng)篩上采用控制方法實(shí)現(xiàn)同向回轉(zhuǎn)控制同步的新技術(shù)等。

2.2.6 提出了新方法

提出了以功能優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、可視優(yōu)化設(shè)計(jì)及特殊性能優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心內(nèi)容的“1+3+X”的綜合設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提出了以非線性動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的深層次動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。

2.2.7 研制了新機(jī)器

研究成功如慣性共振概率新篩機(jī)、激振器偏轉(zhuǎn)式大型冷礦振動(dòng)篩、平衡加隔振的大長(zhǎng)度振動(dòng)輸送機(jī)、自同步振動(dòng)放礦機(jī)、雙激振器自同步振動(dòng)破碎機(jī)、750噸振動(dòng)沉拔樁機(jī)、新型振動(dòng)壓路機(jī)、近共振工作的自同步振動(dòng)離心脫水機(jī)等10余種新機(jī)器。

2.2.8 創(chuàng)建了新學(xué)科

由于取得了前面的這些成果，再加上我國(guó)許多企業(yè)同學(xué)校之間建立了良好的產(chǎn)、學(xué)、研的協(xié)作關(guān)系，處理好知識(shí)產(chǎn)權(quán)與技術(shù)壟斷之間的關(guān)系，從而使我國(guó)對(duì)“振動(dòng)利用工程”新學(xué)科的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。在這一方面撰寫(xiě)并出版了中英文著作和論文集10余種。我作為從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)和科研工作的專家，其研究方向之一是振動(dòng)學(xué)和機(jī)械工程學(xué)相結(jié)合的一門新學(xué)科“振動(dòng)利用工程”，另一方面，還從事有害振動(dòng)控制方面的研究工作。振動(dòng)正是力學(xué)研究的一個(gè)分支，我在網(wǎng)上博得“力學(xué)教育家”的美名，這是與我在振動(dòng)領(lǐng)域取得豐碩的創(chuàng)新研究成果密不可分的。（1）創(chuàng)建了“振動(dòng)利用工程”新學(xué)科，奠定了該學(xué)科的理論基礎(chǔ)，并將研究成果廣泛應(yīng)用于工程中，取得重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在這一領(lǐng)域曾撰寫(xiě)了10多部專著，如圖1所示。使我國(guó)對(duì)這一學(xué)科的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。（2）對(duì)同步理論進(jìn)行了深入研究，將振動(dòng)同步擴(kuò)展為控制同步、復(fù)合同步、廣義同步，還提出了振動(dòng)同步傳動(dòng)的新概念，發(fā)展了振動(dòng)同步傳動(dòng)的理論及其應(yīng)用，并撰寫(xiě)出版了中英文專著。這方面的研究在國(guó)際上也處于領(lǐng)先地位。（3）對(duì)故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，闡明了故障發(fā)生和發(fā)展的慢變和突變過(guò)程及其特點(diǎn)，對(duì)其理論進(jìn)行了分析研究，提出了分段慢變和雙參數(shù)慢變的理論，還最先提出了灰色診斷的理論，并提出用兩次啟動(dòng)進(jìn)行動(dòng)平衡的理論和技術(shù)，撰寫(xiě)了兩部專著。（4）將非線性振動(dòng)理論應(yīng)用于工程實(shí)際，應(yīng)用于有用振動(dòng)的利用和有害振動(dòng)的控制，寫(xiě)出了國(guó)際上第一本內(nèi)容豐富的《工程非線性振動(dòng)》專門著作。此外，在教材的編寫(xiě)工作中，主編了大學(xué)本科生的振動(dòng)教材《機(jī)械振動(dòng)學(xué)》及研究生的機(jī)械振動(dòng)教材《機(jī)械振動(dòng)理論與應(yīng)用》，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了重要的影響。在振動(dòng)利用和控制領(lǐng)域，共寫(xiě)出14部中英文專著，其中有兩種著作榮獲全國(guó)優(yōu)秀科技圖書(shū)獎(jiǎng)，還分別獲得了兩個(gè)著名出版社的“著名作者獎(jiǎng)”和“最具影響力的作者獎(jiǎng)”。

圖1 撰寫(xiě)的有關(guān)振動(dòng)利用與控制方面的著作Fig.1 A Work on Vibration Utilization and Control

2.3 案例3：編纂行業(yè)經(jīng)典助力中國(guó)制造

我在本專業(yè)的主攻方向，即在機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的研究中傾注了大量的精力和心血，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論和方法方面取得了8個(gè)方面的創(chuàng)新成果。

2.3.1 對(duì)國(guó)內(nèi)外70多種設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行分類

100多年來(lái)，為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)技術(shù)工作者提出了70多種設(shè)計(jì)理論和方法，但一直沒(méi)有人對(duì)這么多的方法進(jìn)行分類，2003年在“機(jī)械工程學(xué)報(bào)”創(chuàng)刊50周年時(shí)我所發(fā)表的論文中將設(shè)計(jì)理論和方法分為7大類。

2.3.2 提出了和諧設(shè)計(jì)的新概念并闡明其內(nèi)涵

和諧設(shè)計(jì)是在綠色設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，綠色設(shè)計(jì)講的是人和自然之間的關(guān)系。將綠色設(shè)計(jì)擴(kuò)展為和諧設(shè)計(jì)是時(shí)代發(fā)展的需要，要將環(huán)境保護(hù)擴(kuò)展到社會(huì)領(lǐng)域。

2.3.3 擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法是以線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。過(guò)去撰寫(xiě)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)書(shū)籍一般所研究的是如何消除振動(dòng)，而我將動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)展到如何更好地利用振動(dòng)，在國(guó)際上創(chuàng)建了“振動(dòng)利用工程”新學(xué)科，擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。

2.3.4 提出了深層次動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的概念并闡明了其含義

對(duì)于那些工作在非線性動(dòng)力學(xué)條件下的機(jī)械，若采用線性動(dòng)力學(xué)理論來(lái)處理設(shè)計(jì)問(wèn)題，不僅會(huì)有較大的誤差，甚至?xí)l(fā)生質(zhì)的錯(cuò)誤，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮其時(shí)變特性、強(qiáng)非線性特性、不確定性、高維與強(qiáng)耦合特性、多參數(shù)或多變量的特性等。

2.3.5 提出了以動(dòng)態(tài)優(yōu)化、智能化和可視化為核心內(nèi)容的三化設(shè)計(jì)法或三優(yōu)設(shè)計(jì)法

對(duì)于機(jī)器功能已經(jīng)確定的設(shè)備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等，對(duì)這些機(jī)器只要對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)即可，為此提出了針對(duì)3方面性能優(yōu)化的三化設(shè)計(jì)法，即針對(duì)結(jié)構(gòu)性能、使用性能、制造性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)即可。

2.3.6 研究并提出了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)法

基于系統(tǒng)工程的綜合設(shè)計(jì)有以下4個(gè)階段：調(diào)研階段（3I調(diào)研）、設(shè)計(jì)規(guī)劃階段（7D規(guī)劃）、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)實(shí)施階段（1+3+X系統(tǒng)化設(shè)計(jì)：包括功能設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)）和設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)估階段（5A檢驗(yàn)）等。在目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中假如不綜合運(yùn)用科技工作者提出的各種設(shè)計(jì)方法，要想達(dá)到良好的設(shè)計(jì)質(zhì)量是不可能的。

2.3.7 闡明了頂層設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)涵

7D規(guī)劃包括設(shè)計(jì)目標(biāo)（DO）、設(shè)計(jì)思想或設(shè)計(jì)理念（DI）、設(shè)計(jì)環(huán)境（DE）、設(shè)計(jì)過(guò)程（DP）、設(shè)計(jì)內(nèi)容（DC）、設(shè)計(jì)方法（DM）和設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)（DA），即稱為7D規(guī)劃，也稱為頂層設(shè)計(jì)，為此，我專門撰寫(xiě)了頂層設(shè)計(jì)的專著。

2.3.8 提出了科學(xué)發(fā)展觀作指導(dǎo)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的概念及其設(shè)計(jì)理論和方法

它涵蓋了4個(gè)理想的設(shè)計(jì)階段：調(diào)研和選題、對(duì)任務(wù)剖析和規(guī)劃、科學(xué)實(shí)施、質(zhì)量的檢驗(yàn)和評(píng)估；科學(xué)實(shí)施階段，即用1+3+X的綜合設(shè)計(jì)法中的5優(yōu)設(shè)計(jì)：功能、結(jié)構(gòu)性能、使用性能、制造性能、特殊性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這一領(lǐng)域撰寫(xiě)和出版的著作和手冊(cè)共10余種。

為助力中國(guó)制造2025，我還組織該領(lǐng)域的全國(guó)科技力量編撰了大型設(shè)計(jì)工具書(shū)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》系列，如圖2所示。包括：（1）2010年出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第5版、6卷本）；（2）2012年出版的《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》（上、下冊(cè)）；（3）2015年出版的《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》（1卷本）；（4）2015年出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第5版、單行本共22個(gè)分冊(cè)）；（5）2017年出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第6版，7卷本）?？傆?jì)5套手冊(cè)，共16卷。其中《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第5版）曾于2013年獲中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，2014年獲中國(guó)政府出版獎(jiǎng)的提名獎(jiǎng)。上述這些創(chuàng)造性成果的取得使作者在機(jī)械設(shè)計(jì)與理論領(lǐng)域確立了領(lǐng)地位，獨(dú)樹(shù)一幟，影響頗大。

圖2 撰寫(xiě)及主編的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的著作及手冊(cè)Fig.2 Write and Edit Product Design Books and Manuals

（未完，待續(xù)下期）