禇福磊
教授
chufl@mail.tsinghua.edu.cn
李兆基科技大楼A1036





教育背景
工作履历
科研工作
论文与专利
奖励与荣誉
学术兼职
学术成果

1978.03—1982.01 江西冶金学院机械工程系，获学士学位
1982.09—1985.01 天津大学力学系，获硕士学位
1989.09—1993.08 英国Southampton大学机械工程系，获PhD学位


1982.01—1982.09 江西铜业公司，见习工程师
1985.01—1989.08 天津大学力学系，讲师
1993.09—1994.08 英国Southampton大学机械工程系，研究助理
1994.09—2012.12 清华大学精密仪器与机械学系，教师
2013.01— 清华大学机械工程系，教师


研究领域旋转机械动力学；机械故障诊断技术；非线性振动；振动控制
研究概况长期从事机械动力学、机械故障诊断技术和非线性振动研究，主持和参加了20余项课题，包括国家科学基金、国防973项目、国家自然科学基金重点项目、863计划项目、国家攀登计划项目等。在碰摩转子系统的非线性振动、带有基础部件松动的转子系统的非线性振动、旋转机械典型故障的诊断、水轮发电机组常见故障的诊断、挤压油膜阻尼器支撑的转子系统的非线性振动、复杂非线性常微分方程的数值计算等方面做出了一些具有一定创新性的工作，共发表论文300余篇，其中130余篇被SCI收录，200余篇被EI收录，论文被他人引用超过3000次。负责开发的适用于各种类型的水轮发电机组的状态监测和故障分析系统已安装在34所水电站的70多台机组上，为电力企业创造了巨大的经济效益。


所从事的研究工作为机械动力学与机械故障诊断技术，是机械设计及理论学科的主要研究方向之一。近年来的主要学术贡献包括：


（一）在机械动力学与故障机理研究方面
1．用六自由度方法分别建立了转子径向碰摩和轴向碰摩的六自由度碰摩力模型，发现了传统非六自由度方法没有揭示的一些动力学现象，揭示了转子碰摩的动力学特征在不同自由度上的表现。转子与静子的碰摩是旋转机械最常见的一种故障。已有的研究结果没有考虑系统的弯扭耦合效应,从而也就无法揭示轴向振动和扭转振动所表现的碰摩动力学特征。我们用包括横向、轴向和扭转全部六个自由度振动的研究方法分别研究了转子径向碰摩和轴向碰摩的动力学特性，为转子系统碰摩故障的诊断提供了新的动力学特征，弄清了转子碰摩的动力学特征在不同自由度上的表现，为振动诊断信号的合理选取提供了理论依据。研究结果发表在Mechanism and Machine Theory等刊物上。
2．在碰摩发生时，转子会有一定的刚化作用，瞬时刚度的数值随着碰摩的加重而增大，因而可以根据瞬时刚度的变化趋势来判断转子系统是否发生碰摩，以及判断碰摩的严重程度。在转子系统发生转静件碰摩时，系统的固有频率会出现瞬时的动态变化，这一变化实际上反映了转子在碰摩过程中的刚化作用。借鉴参数辨识方法，针对数值模拟和实验测试的振动数据，分析了转子瞬时刚度的变化，定量地研究了转子的刚化作用。研究结果表明，瞬时刚度的变化可以较好地反映碰摩的严重程度。研究结果发表在Journal of Sound and Vibration上。
3．利用断裂力学中应力强度因子与应变能释放率间的关系，推导出了转轴上带裂纹转子系统的刚度。发现斜裂纹会严重导致弯曲、扭转和拉伸运动的耦合，而直裂纹却只会使弯曲和扭转间有较微弱的耦合，这使两种不同裂纹在相同激励下的响应有明显的区别。应力强度因子可以较好地描述裂纹尖端应力场，计算表明用它得到的刚度更为符合实际。斜裂纹产生后，弯曲在横截面产生的应力在斜裂纹面分解为一个垂直的拉应力和一个沿裂纹面的剪切力，剪切力就会使扭转发生。这就是斜裂纹转轴上弯扭耦合的主要原因。拉扭耦合也是如此。分析表明直裂纹只产生1倍频和2倍频分量，斜裂纹除了产生上述两个分量外，还会产生这两个分量与转轴扭转频率的耦合。这为检测转轴中的直裂纹和斜裂纹提供了依据。研究结果发表在Journal of Sound and Vibration和《机械工程学报》等刊物上。
4．研究了涡轮泵类转子系统的流固耦合特性，提出了一种涡轮流固耦合的综合泄漏流机制，建立了一种具有弱非线性的涡轮叶尖间隙流体激励力数学模型。在流固耦合情况下，传统的Alford力模型在许多情况下是有效的，得到了工程及学术界的普遍接受。然而，理论分析和实验表明，涡轮叶栅效率沿圆周方向的变化不仅与涡轮偏心引起的叶尖间隙沿圆周方向的变化有关，而且还与涡轮偏斜引起的轴向间隙沿圆周方向的变化有关。针对Alford力模型的固有缺陷，提出了既包括涡轮径向偏心又涉及轴向偏斜的综合泄漏流机制，并以此为基础导出了能够同时反映径向偏心和轴向偏斜，同时还能体现平均径向和轴向间隙的涡轮叶尖间隙流体激励力数学模型。研究结果发表在Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C, Journal of Mechanical Engineering Science上。


（二）在特征提取和信号分析方面
1．为了提取齿轮和滚动轴承振动的周期性冲击特征，应用框架方法、最佳正交基方法、匹配追踪和基追踪等原子分解方法对正常和异常齿轮箱振动信号以及正常和内圈故障的滚动轴承振动信号进行了分析。与传统的基于基函数展开的时频分析方法相比，原子分解方法在提取故障齿轮和滚动轴承振动周期性冲击和其它瞬态振动特征方面更为有效。应用基函数展开方法在进行齿轮和滚动轴承故障诊断中可能会使缺陷造成的周期性冲击征兆信息淹没在过多的基函数中，在实际监测诊断过程中容易引起混淆。原子分解是一种新的信号处理方法，它应用与信号特征结构最佳匹配的参数化波形表示实际信号，没有中间变换环节，直接从信号中提取特征信息，尽可能地减少了信息损失。在特别设计的波形字典的基础上，应用原子分解方法可以直接提取齿轮和滚动轴承振动信号中的冲击、简谐振动和其它瞬态现象。研究结果发表在Journal of Sound and Vibration上。
2．针对转子振动在起停机和升降速过程中的频率调制特点，利用自适应Chirplet分解在匹配调频信号方面的优势，以及自适应Chirplet谱图时频分辨率高、没有交叉项干扰的优点，分析了某水轮发电机组在起动和停机等过渡过程中主轴摆度的现场测试信号。不但保持了自适应Chirplet谱图的优点，而且克服了其时频能量分布幅值畸变的缺陷，反映了信号中各频率分量能量分布的连续时变情况。对于工程实践中的非平稳信号，使用时频分析方法时若想提高分析精度，则需要使用形状更为复杂的时频分析网格。Chirplet变换是小波变换的推广形式，为各种参数化时频分析方法提供了统一的讨论框架，在其基础上，针对信号的实际特点，通过选择搭配分析参数子集，可以设计新的信号分析方法。应用这一方法分析了水轮发电机组起动和停机过程中主轴摆度的现场测试信号，表明可以有效地进行特征提取。研究结果发表在Structural Health Monitoring, An International Journal上。
3．设计和构造了基于数学形态学的形态滤波和形态小波信号分析方法。将多尺度广义形态变换算法用于故障信号的降噪处理和特征成分提取，通过在不同尺度上的形态变换，达到了既去除不同噪声成分，同时又保留和突出所有尺度上的故障特征的目的。这种信号处理方法与传统的小波分析和包络分析相比，具有运算简单、执行效率高的优点，适于机械故障的在线监测和诊断。研究了形态学分析方法在信号处理方面的应用。基于金字塔条件和完全重构条件设计的形态小波变换算法，特别是形态非抽样小波分解和重构算法对于故障信号的特征分析效果最明显。通过设计形态小波分解和重构算子，进行变尺度的多层小波分解和重构，抑制了不同尺度上的噪声信号，重构信号中特征成分得到了明显增强。研究结果表明，形态小波变换是形态滤波技术的进一步完善和发展，形态非抽样小波变换具有比形态小波变换更细致、准确的特征信息表达能力。研究结果发表在Journal of Sound and Vibration等刊物上。


（三）在故障诊断技术方面
1．分别用微粒群算法和人工免疫算法优化特征选择和支持向量机参数，减少特征和参数选择的盲目性，减少诊断中人为因素的干扰，获得较好的诊断效果，在有噪声存在的情况下，大大提高多类分类器的识别率和收敛速度。与通常使用的PCA-SVM方法相比，优化后的支持向量机分类器更稳定，识别率更高，速度更快，有利于支持向量机的实际应用。支持向量机分类器的性能与核函数的类型、核函数的参数以及惩罚参数C有很大关系。目前，在建立支持向量机故障分类器时，这些参数往往需要通过大量的试验比较由人为确定，一般通过交叉试算或梯度下降法求解，这严重影响了支持向量机分类器的实际应用。因此，采用微粒群算法和人工免疫算法都能有效地优化支持向量机的一些参数，减少参数选择的盲目性和人为干扰，提高诊断效率。研究结果分别发表在Mechanical Systems and Signal Processing上。在Mechanical Systems and Signal Processing上发表的一篇论文从2006年10月至2007年9月维持为该刊物Top25 Hottest Articles中的第一。
2．为了实现裂纹参数的定量识别，采用基于模型的识别方法将识别问题转化为优化问题，采用以免疫系统原理为基础的人工免疫算法对优化问题进行求解。研究结果表明该方法能够有效精确地解决裂纹的定量辩识问题。利用p型有限元方法研究了在关键领域有广泛应用的几类工程结构，包括几何非均匀梁、材料非均匀梁和旋转变截面梁在出现裂纹时的动力特性，采用基于模型的故障诊断方法将p型有限元方法和优化方法相结合研究了梁裂纹的诊断问题，其中优化变量为待辩识的裂纹参数，所提出的方法为实现裂纹定量和准确识别提供了新的途径。研究结果发表在Journal of Sound and Vibration等刊物上。


近五年来的代表性论著：
1. 褚福磊, 彭志科, 冯志鹏，李志农，《机械故障诊断中的现代信号处理方法》, 科学出版社, 北京, 2009
2. F.L Chu, S.F Yuan, Z.K Peng (2009). Machine Learning Techniques, in Encyclopedia of Structural Health Monitoring, Boller, C., Chang, F. and Fujino, Y. (eds). John Wiley & Sons Limited, Chichester, UK, pp597-610.
3．Zong Li, Zhipeng Feng, Fulei Chu, “A load identification method based on wavelet multi-resolution analysis”, Journal of Sound and Vibration, Vol.333, No.2, 20 January 2014, pp381-391．
4．Qinkai Han, Jingshan Zhao, Wenxiu Lu, Zhike Peng, Fulei Chu, “Steady-state response of a geared rotor system with slant cracked shaft and time-varying mesh stiffness”, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol.19, No.4, 2014, pp1156-1174．
5．Qinkai Han, Fulei Chu, “Dynamic behaviors of a geared rotor system under time-periodic base angular motions”, Mechanism and Machine Theory, Vol.78, August 2014, pp1-14．
6．Z. Y. Qin, S. Z. Yan, F. L. Chu, “Influence of clamp band joint on dynamic behavior of launching system in ascent flight”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G, Journal of Aerospace Engineering, Vol.228, No.1, January 2014, pp97-114．
7．Hua-Nan Yu, Jing-Shan Zhao and Fu-Lei Chu, “Dynamic modeling of flexible multibody system using a meshing method”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.228, No.4, March 2014, pp611-631．
8．ZY Qin, QK Han and FL Chu, “Analytical model of bolted disk–drum joints and its application to dynamic analysis of jointed rotor”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.228, No.4, 2014, pp646-663．
9．Qinkai Han, Fulei Chu, “Effects of rotation upon parametric instability of a cylindrical shell subjected to periodic axial loads”, Journal of Sound and Vibration, Vol.332, No.22, 28 October 2013, pp5653-5661．
10．Qinkai Han, Fulei Chu, “Dynamic response of cracked rotor-bearing system under time-dependent base movements”, Journal of Sound and Vibration, Vol.332, No.25, 9 December 2013, pp6847-6870．
11．Xuening Zhang, Qinkai Han, Zhike Peng, Fulei Chu, “Stability analysis of a rotor-bearing system with time-varying bearing stiffness due to finite number of balls and unbalanced force”, Journal of Sound and Vibration, Vol.332, No.25, 9 December 2013, pp6768-6784．
12．Qinkai Han, Zhaoye Qin, Jingshan Zhao, Fulei Chu, “Parametric instability of cylindrical thin shell with periodic rotating speeds”, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol.57, December 2013, pp201-207．
13．A.B. Ming, Z.Y. Qin, W. Zhang, F.L. Chu, “Spectrum auto-correlation analysis and its application to fault diagnosis of rolling element bearings”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.41, Nos.1-2, December 2013, pp141-154．
14．Z.K Peng, W.M Zhang, B.T Yang, G. Meng, F.L Chu, “The Parametric Characteristic of Bispectrum for Nonlinear Systems Subjected to Gaussian Input”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.36, No.2, 2013, pp456-470．
15．Qinkai Han, Fulei Chu, “Parametric instability of a rotating truncated conical shell subjected to periodic axial loads”, Mechanics Research Communications, Vol.53, October 2013, pp63-74．
16．Z. Y. Qin, S. Z. Yan, F. L. Chu, “Analytical modeling of clamp band joint under external bending moment”, Aerospace Science and Technology, Vol.25, No.1, March 2013, pp45-55．
17．Qinkai Han, Fulei Chu, “Parametric instability of a Jeffcott rotor with rotationally asymmetric inertia and transverse crack”, Nonlinear Dynamics, Vol.73, No.1-2, July 2013, pp827-842.
18．Qinkai Han, Fulei Chu, “Effect of rotation on frequency characteristics of a truncated circular conical shell”, Archive of Applied Mechanics, Vol.83, No.12, December 2013, pp1789-1800．
19．Hua-Nan Yu, Jing-Shan Zhao and Fu-Lei Chu, “An Enhanced Multi-point Dynamics Methodology for Collision and Contact Problem”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.227, No.6, June 2013, pp1203-1223．
20．Zhipeng Feng, Ming Liang, Fulei Chu, “Recent advances in time–frequency analysis methods for machinery fault diagnosis: A review with application examples”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.38, No.1, 5 July 2013, pp165-205．
21．Zhipeng Feng, Ming J. Zuo, Rujiang Hao, Fulei Chu, Jay Lee, “Ensemble Empirical Mode Decomposition-Based Teager Energy Spectrum for Bearing Fault Diagnosis”, Trans ASME, Journal of Vibration and Acoustics, Vol.135, No.3, June 2013, Article Number 031013(21 pages)．
22．Jian-Yi Wang, Jing-Shan Zhao, Fu-Lei Chu and Zhi-Jing Feng, “Dynamic stiffness of a lift mechanism for forklift truck”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.227, No.C2, 2013, pp387-402．
23．X.H. Si, W.X. Lu, F.L. Chu, “Modal analysis of circular plates with radial side cracks and in contact with water on one side based on the Rayleigh-Ritz method”, Journal of Sound and Vibration, Vol.331, No.1, 2 January 2012, pp231-251．
24．Qinkai Han, Jingshan Zhao, Fulei Chu, “Dynamic analysis of a geared rotor system considering a slant crack on the shaft”, Journal of Sound and Vibration, Vol.331, No.26, 17 December 2012, pp5803-5823．
25．Z.K Peng, W.M Zhang, Z.Q Lang, G. Meng, F.L Chu, “Time–frequency data fusion technique with application to vibration signal analysis”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.29, May 2012, pp164-173．
26．Li Lin, Fulei Chu, “HHT-based AE characteristics of natural fatigue cracks in rotating shafts”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.26, No.1, 2012, pp181-189．
27．Z. Y. Qin, S. Z. Yan, F. L. Chu, “Finite Element Analysis of the Clamp Band Joint”, Applied Mathematical Modelling, Vol.36, No.1, January 2012, pp463-477．
28．Yanqi Liu, Fulei Chu, “Nonlinear Vibrations of Rotating Thin Circular Cylindrical Shell”, Nonlinear Dynamics, Vol.67, No.2, 2012, pp1467-1479.
29．Z. K. Peng, G. Meng, Z.Q Lang, W.M. Zhang and F. L. Chu, “Study of the effects of cubic nonlinear damping on vibration isolations using harmonic balance method”, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol.47, No.10, 2012, pp1073-1080．
30．Q.K. Han, F.L. Chu, “Parametric instability of a two-disk rotor with two inertia asymmetries”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, Vol.12, No.2, March 2012, pp251-284．
31．Qinkai Han, Fulei Chu, “Dynamic instability and steady-state response of an elliptical cracked shaft”, Archive of Applied Mechanics, Vol.82, No.5, 2012, pp709-722．


1．“复杂非线性系统的某些动力学理论与应用”获2003年度国家自然科学奖二等奖，排名第三；
2．“机械设备健康维护的若干理论与方法”获2011年度教育部自然科学一等奖，排名第一；
3．“300MW汽轮发电机组振动监测及分析诊断系统开发研究”获2003年度广东省科技进步二等奖，排名第一；
4．“水电机组状态监测与故障诊断技术研究及应用”获2006年度教育部科技进步二等奖，排名第一；
5．“复杂非线性系统的动力学理论与方法”获2002年度天津市自然科学一等奖，排名第五；
6．“广州蓄能水电厂机组稳定性状态监测及跟踪分析系统PSTA-I”获1999年度广东省科技进步二等奖，排名第三；
7．“转子机械智能监测与诊断技术”获2009年度中国仪器仪表学会科学技术奖二等奖，排名第二；
8．“水电机组状态监测分析诊断系统开发研究”获2003年度中国电力科学技术奖三等奖，排名第一；
9．入选2003年度教育部“跨世纪优秀人才培养计划”；
10．获2004年度国家科学基金；
11．2006年获国务院政府特殊津贴。


学术兼职初始内容
学术成果初始内容