几何非线性振动系统的转迁机理与应用申报省自然科学奖公示文.doc

附件 3 自然科学奖推荐号：120-266 项目名称 几何非线性振动系统的转迁机理与应用 提名单位 河北省教育厅 本项目属于非线性动力学领域，隶属力学学科的动力学与控制。 走行部轴箱轴承早期故障信号具有“强噪声、弱信号”特性，其参数的精准识别，对保障列车安全运行具有重要的理论意义。本项目 基于几何非线性(Smooth-Discontinuous)振动系统的无理回复力特性，构建无理非线性系统理论框架，精确描述耦合机理作用下该系统的动 力学行为；利用几何非线性振动系统的动力学行为转迁“敏感性”高效识别“相对微弱”的早期故障信号，获得了一系列原创性成果。 主要科学发现点如下： 1、发现了几何非线性振动系统的光滑-不连续转迁和准零刚度特性。拓展了第一类和第二类完全椭圆积分的定义，阐明了几何非线性 振动系统不光滑 Hopf 分岔是光滑状态下的极限状态，揭示了“负刚度-零刚度-正刚度”的转迁特性，为早期故障参数识别系统的构建提 供了理论基础。 2、发展了几何非线性振动系统脉冲动力学转迁准则和随机动力学临界过渡预警指标。构建了脉冲激励作用下几何非线性振动系统的 Melnikov 函数和亚谐 Melnikov 函数，提出了最大 Lyapunov 指数和 Shannon 熵作为临界过渡预警指标，阐明了脉冲激励对混沌转迁的影响 机理；明晰了随机激励诱导临界过渡的发生机理，保证了早期故障参数识别系统在“强噪声、弱信号”工况下的实用性。 项目简介 3、建立了变尺度凸峰检测法。利用几何非线性振动系统“混沌-周期-混沌”转迁“敏感性”，建立了变尺度凸峰检测法，检测信噪比 低至-80.71dB，相对误差控制在 3%之内，检测效率大幅提高。 科学价值：建立了几何非线性振动系统的解析理论，发展了非光滑 Melnikov 函数和亚谐 Melnikov 函数理论，构建了随机动力学临界 过渡预警新指标，提出了早期故障信号参数识别新方法，为轴箱轴承早期故障的参数识别提供了理论支持，拓展了非线性动力学理论结果 在工程实际中的应用 同行评价： 5 篇代表作总他引 338 次， 其中 SCI 他引 156 次，受到国内外著名学者的高度关注和积极评价。英国爱丁堡皇家学会 Marian Wiercigroch 院士认为该成果“提出并研究了一种光滑不连续系统，从光滑到不连续的动态转迁可由参数控制”。中国工程院陈予 恕院士认为该成果“通过引入拓展的椭圆函数，解决了参数极限状态几何非线性系统的 Hopf 分岔问题；Duffing 系统(几何非线性振动系 统的三阶截断)有广泛的工程应用，如微弱信号的识别等”。 专利与应用：授权国家发明专利 1 项。该技术先后被中车唐山机车车辆有限公司、中车石家庄车辆有限公司应用于列车、货车轴箱轴 承的早期故障诊断分析，对保障轨道交通安全具有重要的理论意义和工程价值。 第一完成人情况：获河北省杰青、河北省“三三三”二层次人选、河北省教育厅百名创新人才等称号。 代表性论文专著目录 1. R. L. Tian (田瑞兰), Q. J. Cao and S. P. Yang. The codimension-two bifurcation for the recent proposed SD oscillator[J]. Nonlinear Dynamics, 2010, 59(1): 19-27. 2. R. L. Tian (田瑞兰), Q. J. Cao and Z. X. Li. Hopf bifurcations for the recently proposed smooth-and-discontinuous oscillator[J]. Chinese Physics Letters, 2010, 27(7): 074701. 3. R. L. Tian (田瑞兰), Y. F. Zhou, B. L. Zhang and X.W. Yang (杨新伟). Chaotic threshold for a class of impulsive differential system[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 83(4): 2229-2240. 4. R. L. Tian (田瑞兰), Y. F. Zhou, Y. Z. Wang, W. J. Feng (冯文杰) and X.W. Yang (杨新伟). Chaotic threshold for non-smooth system with multiple impulse effect[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 85(3): 1849-1863. 5. J. Z. Ma, Y. Xu (许勇), Y.G. Li (李永歌), R. L. Tian (田瑞兰) and J. Kurths. Predicting noise-induced critical transitions in bistable systems[J]. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 2019, 29(8): 081102. 主要完成人情况表（排名、姓名、技术职称、工作单位、对本项目技术创造性贡献、曾获奖励情况） 排名 1 2 3 4 5 姓名 田瑞兰 杨新伟 冯文杰 李永歌 许 勇 技术职称 工作单位 完成单位 贡献 曾获奖情况 2015 年度河北省科学技术进步奖, 三等奖，白光数字图 像频域分析法在土木工程中的应用，第五完成人。 教授 石家庄铁 道大学 石家庄铁 道大学 项目负责人，负责项目的总体规划 和实施，提出本项目的研究思路， 凝练关键科学问题，制定可行性分 析路线，组织项目实施，总结研究 结果和撰写论文等，对所有的科学 发现点有重要贡献。 教授 石家庄铁 路职业技 术学院 石家庄铁 路职业技 术学院 项目主要完成人，负责几何非线性、 脉冲非线性模型构建工作，为代表 2015 年度河北省科学技术进步奖, 三等奖，白光数字图 性论文 3 和 4 的通讯作者，对科学 像频域分析法在土木工程中的应用，第二完成人。 发现点 1 和 2 有重要贡献。 石家庄铁 道大学 2019 年度河北省自然科学奖, 三等奖，多场耦合梁板结 构静动力学行为，第二完成人；2014 年度河北省自然科 项目主要完成人，负责数值计算， 学奖, 二等奖，功能梯度材料结构断裂与热稳定性研究， 对关键问题提出了多项建设性意见， 第一完成人；2012 年度河北省自然科学奖, 一等奖，磁 为代表性论文 4 的第四作者，对科 电弹材料波动与断裂的力学行为研究，第二完成人；2004 学发现点 2 和 4 有重要贡献。 年度河北省自然科学奖, 二等奖，含缺陷电磁弹性介质 的多场耦合行为与弹性波散射，第二完成人。 西北工业 大学 项目主要完成人，负责临界过渡预 警指标的建立，为代表性论文 5 的 第三作者，对科学发现点 3 有重要 贡献。 2021 年度陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖，一等 奖，基于全局分析的随机动力学理论和方法，第二完成 人；2022 年度陕西省振动工程学会科学技术奖，一等奖， 极端随机扰动下的动力学跃迁与振动控制，第一完成人。 西北工业 大学 项目主要完成人，负责噪声诱导临 界过渡发生机理的分析，为代表性 论文 5 的第二作者和通讯作者，对 科学发现点 3 有重要贡献。 2022 年度国家杰出青年科学基金获得者，2016 年度陕西 省科学技术奖，一等奖，典型随机扰动下的非线性动力 学与控制及应用研究，第一完成人；2016 年度教育部自 然科学奖，二等奖，复杂结构系统的随机动力学研究， 第一完成人；2018 年度陕西省青年科技奖。 教授 副教授 教授 石家庄铁 道大学 西北工业 大学 西北工业 大学 完成人合作关系说明 本项目由石家庄铁道大学(第一完成单位)、石家庄铁路职业技术学院(第二完成单位)和西北工业大学(第三完成单位)共同完成。第 一完成人及其他 4 位共同完成人主要通过关键科学问题探讨、学术论文合著、科研项目申请和奖励申报的方式进行合作。完成人合作 关系如下： 1. 完成人田瑞兰和冯文杰均为石家庄铁道大学教师，已合作发表论文多篇，包括共同合作完成代表性论文 4“Chaotic threshold for non-smooth system with multiple impulse effect ” 和 论 文 “ Bifurcations and chaotic thresholds for the spring-pendulum oscillator with irrational and fractional nonlinear restoring forces”，论文中田瑞兰负责提出并深入研究几何非线性振动系统三阶截断系统混沌阈值问 题，冯文杰负责数值结果分析，并对关键问题提出了多项建设性意见。 2. 完成人田瑞兰(石家庄铁道大学)与杨新伟(石家庄铁路职业技术学院)共同立项国家自然科学基金项目“重力和参数激励作用下 SD 振 子的动力学行为研究及应用”(项目号：11002093)，该项目中田瑞兰为项目负责人，杨新伟为项目的第三完成人；共同立项国家自 然科学基金项目“耦合激励作用下动力学行为突变机理及其在微弱信号参数识别中的应用”(项目号：11872253)，该项目中田瑞兰 为项目负责人，杨新伟为项目的第二完成人；合作申报奖励一项，田瑞兰为第五完成人，杨新伟为第二完成人；二人合作完成 6 篇 与本项目相关的学术论文，均发表在国内外重要学术期刊，包括代表作 3 和 4。 3. 完成人田瑞兰(石家庄铁道大学)与李永歌(西北工业大学)、许勇(西北工业大学)合作发表了“Precursor criteria for noise-induced critical transitions in multi-stable systems”等 3 篇论文；田瑞兰(石家庄铁道大学)与许勇(西北工业大学)合作发表了“Variable scale-convex-peak method for weak signal detection”论文，针对故障诊断关键科学问题，共同提出了变尺度凸峰法。 4. 完成人李永歌和许勇均为西北工业大学教师，已长期进行项目合作、论文发表，共同承担了国家自然科学基金项目 “时空扰动下 典型复杂系统的非线性随机动力学与控制” (项目号：12120101002)。 完成人合作关系情况汇总表 序号 合作方式 合作者/项目排名 合作时间 合作成果 1 奖励合作 田瑞兰/1、杨新伟/2 2010 年至今 白光数字图像频域分析法在土木工程中的应用 2 共同立项 田瑞兰/1、杨新伟/2 2010 年至今 重力和参数激励作用下 SD 振子的动力学行为研究及应用 3 共同立项 田瑞兰/1、杨新伟/2 2010 年至今 4 论文合著 田瑞兰/1、冯文杰/3、 杨新伟/2 2013 年至今 5 论文合著 田瑞兰/1、冯文杰/3、 杨新伟/2 2013 年至今 6 论文合著 田瑞兰/1、杨新伟/2 2010 年至今 7 论文合著 田瑞兰/1、李永歌/4、 许勇/5 2017 年至今 8 论文合著 田瑞兰/1、李永歌/4、 许勇/5 2017 年至今 9 论文合著 田瑞兰/1、许勇/5 2017 年至今 耦合激励作用下动力学行为突变机理及其在微弱信号参数识 别中的应用 Chaotic threshold for non-smooth system with multiple impulse effect[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 85(3): 1849-1863. Bifurcations and chaotic thresholds for the spring-pendulum oscillator with irrational and fractional nonlinear restoring forces [J]. The European Physical Journal Plus, 2014, 129: 85. Chaotic threshold for a class of impulsive differential system[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 83(4): 2229-2240. Predicting noise-induced critical transitions in bistable systems[J]. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 2019, 29(8): 081102. Precursor criteria for noise-induced critical transitions in multi-stable systems[J]. Nonlinear Dynamics, 2020, 101: 21-35. Variable scale-convex-peak method for weak signal detection[J]. Science China Technological Sciences, 2021, 64: 331-340. 备注