含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析
转子动力学
转子动力学是固体力学的一个分支。
本文主要研究转子支承系统在旋转状态下的振动，平衡和稳定性，特别是在接近或超过临界转速的情况下转子的横向振动。
转子是涡轮机，电动机和其他旋转机械的主要旋转部件。
200多年来，工程和科学界一直关注转子振动。
w.j.m. 1869年英格兰的兰金（Rankin）和1889年法国的拉瓦尔（c.g.p.de Laval）对挠性轴的测试是研究此问题的先驱。
随着现代工业的发展，高速细长转子逐渐出现。
由于它们通常在柔性状态下工作，因此它们的振动和稳定性变得越来越重要。
转子动力学的主要研究内容如下：①临界速度由于制造误差，转子每个微小部分的质心与旋转轴略有偏离。
当转子旋转时，由上述偏差引起的离心力将使转子产生横向振动。
在某些速度（称为临界速度）下，这种振动似乎非常强烈。
为了确保机器不会在工作速度范围内产生共振，临界速度应适当偏离工作速度，例如大于10％。
临界速度与转子的弹性和质量分布有关。
对于具有有限集总质量的离散旋转系统，临界速度的数量等于集总质量的数量；对于具有连续质量分布的弹性旋转系统，临界速度是无限的。
传递矩阵法是计算大型转子支撑系统临界转速的最常用数值方法。
要点是：首先，将转子分成几个部分，每个部分左右两端的四个部分参数（挠度，挠度角，弯矩和剪切力）之间的关系可以通过传递来描述。
该部分的矩阵。
以此方式，可以获得系统的左端和右端的横截面参数之间的总传递矩阵。
然后，根据边界条件和自然振动中非零解的条件，通过试错法求出各阶的临界速度，得到相应的振动模式。
②通过临界速度的状态通常，转子以可变速度通过临界速度，因此通过临界速度的状态是不稳定的。
与以临界速度旋转时的静止状态不同，有两个方面：一是振幅的最大值小于静止状态的振幅，速度越大，振幅的最大值越小。
另一个是振幅的最大值不会在像静止状态那样的临界速度下出现。
在不稳定状态下，频率转换干扰力作用在转子上，这使分析变得困难。
为了解决这种问题，在数值计算或非线性振动理论中必须使用渐近法或级数展开法。
某四缸柴油机水泵轴断裂失效分析
部 件 ： 泵 轴 承 的运 转 可 靠 性 ， 是严 重 影 响 整 车 水 更
冷却 系统 可靠性 。从 大的 范 围讲 ， 泵分 为径 流式 、 水
轴 流 式 、 流 式 ， 车 用 水 泵 通 常 为 径 流 离 ， 水 混 而 Ｉ式 Ｌ 泵 ， 流 离 心 式水 泵 具 有适 中的 比 转速 ， 小 的体 径 较
Ｂ
Ｌ ３
滚 ／ 量 珠数 柱数 滚 ／ 量
１ ５ ７ １ ｆ ８
１１ ．． 轮 系 布 置 方 案 ２
１ ５ ９
３ ２
７ ０
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１ ３ ． ７
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轴 皮 带 轮 ． 系 附件 由水 泵 、 电机 、 扇 、 轮 充 风 自动 张 紧组成 。具 体布 置方 案及 尺寸 见 图 ２ 。
面 附 近位 置 ， 有 冷 却 液 进 入 水 泵 轴 承 ， 坏 轴 承 且 破
里 的 润 滑 脂 ，使 得 水 泵 轴 承 干 磨 及 卡 滞 后 导 致 断
表 １
规 格
图 １
滚 动 体 尺 寸 规 格
Ｌ ｌ Ｄ Ｌ ２
Ａ
轴 承 的前 端 滚 动体 为 滚柱 ， 承 的后端 滚 动 体 为滚 轴 珠 。具 体结 构见 图 １ 轴 承尺 寸 见表 １ ， 。
致 为皮 带传 动 、 轮传 动 、 齿 独立 电机 驱动 。车用水 泵
除 了为 冷 却 系 统 提 供适 当 的 流 量 和 扬 程 以 满 足 冷 却 功 能之 外 ，还 通 常在 水 泵轴 上 搭 载其 它 附 件 ， 通
轮 系布 置 为 ８ Ｋ 多楔带 传 动方 案 ， 动 轮为 Ｐ 主
转子动力学
转子动力学转子动力学（Rotordynamics）是一个在机械工程中有着广泛应用的学科，它研究的是转子的运动模式和旋转的动态行为。
它主要包括对转子的结构，刚度，形状，质量及其动态响应的研究，它也可以研究转子系统中出现的振动现象。
转子动力学被广泛应用于一些重要的工程应用，其中，汽轮机，离心机，风力发电机和电机等系统都可以利用转子动力学进行模拟研究，以便于计算转子系统的运动性质和性能。
转子动力学的研究主要分为两个部分：静态和动态分析。
静态分析是指只考虑转子的静力学性质，即转子的位移，速度和加速度，而不考虑其在轴承振动中的动态特性。
动态分析则是指考虑转子在轴承振动中的动态特性，包括振动模式、振动频率、振动幅值及衰减。
转子动力学的静态分析方法很多，其中，应用频繁的有建立结构方程和有限元方法，它们分别用于研究转子结构的位移，形变和应力分布，及轴承摩擦耦合下转子的动态行为。
动态分析方法也有很多，例如建立模态方程和复结构动力学方法等，它们都有助于研究转子系统的动态行为，包括振动模式、振动频率、振动的位移、形变和应力分布。
转子动力学的应用非常广泛，它可以被用于传动系统，机床，风机，汽轮机，离心机，风力发电机等系统中，以改善其设计和性能。
由于转子动力学完备及计算量大，现代转子断面设计工具和分析工具均已经发展趋于成熟，可以实现转子的3D的模拟分析，并可以实现转子的断面设计改善。
转子动力学是实施转子系统设计，并实现转子系统性能改善的重要手段，它给转子系统提供了科学的基础，使得转子系统设计及性能改善更接近设计者的实际需求，从而达到节省成本，提高效率，提升产品性能的目的。
总之，转子动力学研究是机械工程中一个重要的学科，它在机械系统安全可靠运行方面发挥着非常重要的作用。
通过使用转子动力学，可以更好地分析和理解转子系统的结构，刚度，形状，质量及其动态响应，从而实现设计的优化，提高转子系统的性能，改善转子系统的安全可靠性。
轴承转子系统动力学
轴承转子系统动力学
轴承转子系统动力学是研究轴承和转子在运转过程中的力学行为和相互作用的学科。
它涉及到转子的旋转、振动、稳定性以及与轴承之间的力学相互作用等方面。
在轴承转子系统中，转子是通过轴承支撑并旋转的。
转子的旋转会引起离心力和惯性力的产生，同时也会受到悬挂系统和轴承的约束。
轴承则起到支撑和导向转子的作用，并承受着由转子旋转所带来的力和力矩。
在动力学分析中，需要考虑转子的质量、惯性特性、几何形状以及受力情况等因素。
常见的分析方法包括刚体动力学、弹性动力学和有限元分析等。
这些方法可以用来计算转子的振动模态、共振频率、振型等，并评估转子系统的稳定性和可靠性。
此外，轴承转子系统动力学还包括对转子系统进行故障诊断和故障预测的研究。
通过监测转子系统的振动、声音和温度等信号，可以检测到转子系统中的故障，并进行相应的维修和保养，以确保系统的正常运行。
总之，轴承转子系统动力学是对转子和轴承在运转中力学行为进行分析和研究的学科，它对于提高转子系统的性能、可靠性和安全性具有重要意义。
1。
齿轮油泵传动轴断裂机理分析及预防措施
４ 防止断裂措施和建议
结合上述疲 劳断裂机理 的分析 ， 建议采取如下措施防止类似
断裂事故的再次发生 ： （ １ ） 严 密 监 控传 况 ， 尽
在周 期性转矩作用 下， 应力集 中处的初始微裂纹不断发生扩 展。 当裂纹扩展 到一定尺 寸后， 传动 轴的剩余部 分不足 以承 受载 荷 的作用 ， 因此发生瞬 时断裂 ， 最后导致整个 传动轴发 生疲劳断 裂。 由于轴受扭转应力作用时 ， 最大应 力方 向为环 向， 因此裂纹扩 展沿着 与轴线 垂直的方 向进 行， 最终形成 的断 口整体呈现正断特
系金属材料工程专业 ， 大四在校 生。
（ 上接 ７ ６页 ）
［ ３ ］ 张 厚美 ； 薛佑 刚 ．岩 石可 钻性表 示 方法探 讨 ［ Ｊ ］ ．钻 井工
艺 ，１ ９ ９ ９ ， １ ３ （ １ ）： １ ０ — １ ３ ．
Ｚ ｈ ａｎ ｇ Ｈ ｏ ｕ ｍｅ ｉ ． Ｘ ｕ ｅ Ｙ ｏ ｕｇ ａ ｎ ｇ． Ｒｏ ｃ ｋ ｄ ｒｉ ｌ １ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ
ｌ ｎ ｍ
应进行表面 处理。 具有相似 作用的常用表面处理方法 包括 ： 激光
图 ８疲 劳裂纹扩展三个阶段示意图
熔覆 、 热喷涂 、 电镀 、 化学镀等 ， 这 些技 术在零件表 面处理方 面应
技术 也相对成熟 ， 建议在 以后类似 的传 动轴发 生相似损 第 １阶段通常是起 始于金属 表面 的初始裂 纹处， 扩展方 向为 用很 广， 以提高备用件 的使用 寿命 。 最大切应 力方 向 （ 与主应 力成 ４ ５度角 ） ， 沿晶面 向内扩展 。 由于 坏时有选择地采用相应技术 ， 不 同的晶粒 的位 向不 同， 并且存在在 晶界的阻碍作 用， 因此随着 裂 纹的 向内扩展 ， 其扩 展方 向逐渐转 向和主应 力垂直 。 第 一阶段 的裂 纹扩展深度 很小 ， 通常约为几个 晶粒范 围。 若表面 受到力 的 作用 ， 则会导致很难观察到第一阶段的裂纹扩展 。 疲劳 裂纹扩 展第 １ Ｉ阶 段的 主要特 征是裂 纹扩 展方 向与主 应力相垂直 ， 当承 受扭转载荷 时， 该 主应 力方 向为传 动轴 的环 向 （ 或切 向 ） ， 与该方向垂直的方 向为轴向或径 向， 在本例 中这一方 向为径 向， 即垂 直于轴 向的截 面。 在这一阶段 ， 裂 纹尖 端的塑性区
具有裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统的动力学研究
具有裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统的动力学研究
李振平;罗跃纲;姚红良;闻邦椿
【期刊名称】《应用力学学报》
【年(卷),期】2003(20)3
【摘要】以非线性动力学和转子动力学理论为基础 ,分析了带有碰摩和裂纹耦合故障的弹性转子系统的复杂运动 ,在考虑轴承油膜力的同时构造了含有裂纹和碰摩故障转子系统的动力学模型。
针对短轴承油膜力和碰摩裂纹转子系统的强非线性特点 ,采用Runge Kutta法对该系统由碰摩和裂纹耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究 ,发现该类碰摩转子系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象 ,该研究结果为转子轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供理论参考。
【总页数】5页(P136-140)
【关键词】转子-轴承系统;动力学;碰摩-裂纹耦合故障;旋转机械;数值仿真;故障诊断;周期运动;拟周期运动;混沌运动
【作者】李振平;罗跃纲;姚红良;闻邦椿
【作者单位】清华大学;东北大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.3;O347.6
【相关文献】
1.具有不平衡-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承系统非线性动力学研究 [J], 陈果
2.转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的非线性特性研究 [J], 罗跃纲;张松鹤;闻邦椿
3.碰摩故障转子-滚动轴承耦合系统非线性动力学研究 [J], 李飞敏;陈果
4.转子-滚动轴承-机匣耦合系统的不平衡-碰摩耦合故障非线性动力学响应分析 [J], 陈果
5.双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的稳定性 [J], 罗跃纲;闻邦椿
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闭式泵轴断裂失效原因分析与对策
闭式泵轴断裂失效原因分析与对策闭式循环水泵泵轴材质3Cr13，属于中碳马氏体不锈钢。
闭式循环水泵在运行过程中，泵轴突然发生断裂，导致闭式循环水泵停运，影响了正常生产。
经过对断裂的泵轴进行了断口形貌检验、光谱检验、金相组织检验和机械性能检验，经过综合分析，最后得出结论，泵轴断裂属于疲劳断裂，产生疲劳断裂原因是泵轴材料存在沿晶分布的网状碳化物，分割了金属基体，对强度影响不大，但会使材料脆性增加，冲击韧性大幅降低。
标签：泵轴；断裂失效；疲劳断裂；网状碳化物1 概述某电厂闭式循环冷却水泵型号SX400-460，卧式离心式，流量2200m3/h，扬程45米，转速1450rpm。
闭式循环冷却水泵作用是将介质（除盐水）加压后，输送到各有关设备的热交换器，再返回闭式循环冷却水泵入口，形成闭式循环冷却水系统。
该系统的补水来自闭式循环冷却水膨胀水箱。
闭式循环水泵泵轴材质3Cr13，属于中碳马氏体不锈钢，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度、耐磨性和淬透性，一般是在调质状态组织回火索氏体状态下使用。
泵轴在转动过程中受到扭转力、支撑力、弯曲力和推力等，受力情况比较复杂，同时轴系还会振动。
闭式循环水泵在运行过程中，泵轴突然发生断裂，导致闭式循环水泵停运，影响了正常生产。
2 断裂原因分析为了查清闭式循环水泵泵轴断裂原因，对断裂的泵轴进行了断口形貌检验、光谱检验、金相组织检验和机械性能检验，详细分析如下。
2.1 断口形貌检验泵轴断口附近没有明显塑性变形，泵轴断裂发生在键槽处，键槽出现破裂损坏，轴横断面上靠近键槽边缘处颜色较深（见图1），可观察到贝纹线形貌，该处为裂纹源区，在电子扫描显微镜下可见清晰的疲劳条纹形貌（见图2）。
由此可见，泵轴属于疲劳断裂，首先轴键槽处产生小裂纹，形成疲劳源，然后泵轴在转动中的交变载荷作用下，裂纹逐渐扩展，最后扩展至临界尺寸，不能承受交变载荷的作用，导致突然断裂，在瞬断区形成过载断裂形态。
2.2 光谱检验取泵轴光谱试样，在SPECTRO TEST光谱分析仪上进行化学成分试验分析，结果见表1，该轴化学成分含量与GB/T 1220-2007《不锈钢棒》中3Cr13的要求相符，说明泵轴材料化学成分正常。
开斜裂纹转子的动力特性
开斜裂纹转子的动力特性
林言丽;褚福磊;郝如江
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2008(027)001
【摘要】对于转子系统,转轴上斜裂纹的存在会产生与直裂纹不尽相同的动力特性,主要原因是斜裂纹和直裂纹会引起转子不同方向振动的耦合.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了带有45°张开型斜裂纹转子的刚度;并进一步对有耦合刚度的运动方程用龙格-库塔法进行了数值分析,给出了裂纹深度、偏心量和转速对转子动力特性的影响.
【总页数】5页(P25-29)
【作者】林言丽;褚福磊;郝如江
【作者单位】清华大学精仪系设计所,北京,100084;清华大学精仪系设计所,北京,100084;清华大学精仪系设计所,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TB123
【相关文献】
1.直裂纹和45°斜裂纹转子系统动力特性对比 [J], 林言丽;卢文秀;褚福磊
2.裂纹对浮环支承涡轮增压器转子系统动力特性影响研究 [J], 胡美玲;马倩;魏道高;史伟
3.含裂纹的涡轮增压器转子系统动力特性研究 [J], 马倩;魏道高
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泵轴断裂的失效分析
泵轴断裂的失效分析作者：张彬湖来源：《科技视界》 2013年第22期张彬湖（广东凌霄泵业股份有限公司，广东阳春 529600）【摘要】本文通过水泵断轴的断口分析，先对泵轴和销的强度进行校核，并通过调整以增大安全系数；然后对断裂处的联轴器进行分析；最后针对失效原因提出解决失效问题的建议。
【关键词】泵轴；断裂；失效分析０问题背景客户购买的某型号离心泵在使用2-3个月后，泵轴在钻有销孔处方发生断裂。
此水泵所用电机的功率为3.0kW，转速2900r/min，泵轴与电机轴通过刚性联轴器联接传动，联接尺寸见图1d。
电机轴与联轴器通过Φ6的销联接。
泵轴和销的材料均为SUS304。
１断口形貌分析断口如图1a所示。
泵轴断口受力边各有一小块黑色的区域，这是微裂纹开始的地方。
泵轴断口光亮带处表明泵轴外表面微裂纹出现后，因交变循环应力的作用而使该处的裂纹反复研磨而形成光亮带，其余地方均为可见晶粒的新鲜断裂带。
根据材料力学对断口的分析，这是典型的疲劳断裂的断口。
此水泵是单方向旋转，泵轴只受单方向的扭矩，不存在交变循环的应力，是不会产生疲劳断裂的。
因此先对泵轴和销的强度进行校核，再对联轴器的联接进行分析。
２强度校核泵轴强度校核：根据设计手册扭矩计算公式，电机额定扭矩MC=9549P/n，式中，P——电机功率（kw） n——电机转速（r/min）。
因为 P=3.0 N=2900，所以MC=9549*3.0/2900=9.88N·m，传动轴最大扭矩MCmax=2.2*9.88=21.7N·m。
材料力学上圆轴扭转时剪应力计算公式τ=16MCmax/(π*d3)=64MPa，查设计手册，泵轴钻销孔处的有效应力集中系数Kγ=3.4,故泵轴最大切应力为τmax=τ* Kγ=217.6MPa。
查不锈钢手册，SUS304的抗拉强度为539MPa，一般剪切强度按抗拉强度的0.5-0.6倍计算，所以许用剪切应力为[τ]=539*0.5=269.5MPa, 计算泵轴钻销孔处的安全系数n=[τ]/τmax=269.5/217.6=1.24，强度略显不足，安全系数最好是1.5-2。
ANSYS转子动力学分析
ANSYS转子动力学分析ANSYS转子动力学分析是一种通过ANSYS软件进行转子系统的动力学仿真分析方法。
转子动力学分析是用于研究和评估机械设备中转子系统动力学性能的一种方法。
它可以帮助工程师了解转子系统的受力、振动、疲劳寿命等关键参数，并优化设计以提高系统的稳定性和可靠性。
在进行ANSYS转子动力学分析时，首先需要建立转子系统的几何模型。
这可以通过CAD软件绘制转子的三维模型，然后将模型导入到ANSYS中进行后续分析。
在建立几何模型时，需要考虑转子的形状、尺寸、支撑结构等因素，并确定转子系统的边界条件。
建立几何模型后，需要定义转子的材料性质。
转子的材料性质对其受力和振动特性有着重要影响。
常见的转子材料包括金属、复合材料等。
在ANSYS中，可以通过指定材料的弹性模量、泊松比、密度等参数来定义转子的材料性质。
在进行ANSYS转子动力学分析时，需要考虑转子的受力和激振源。
转子受力包括离心力、惯性力、外部载荷等，可以通过动力学方程来描述。
而激振源可以是旋转不平衡、激励力等，可以通过在特定位置施加外部载荷来模拟。
转子动力学分析的关键步骤是求解转子系统的运动方程。
在ANSYS中，可以通过有限元方法来离散化转子系统，将其分解为有限数量的节点和单元，然后使用动力学方程对节点进行求解。
需要注意的是，转子系统通常是一个大型非线性动力学系统，需要进行迭代求解才能获得准确的结果。
在求解转子系统的运动方程后，可以通过后处理分析来获取有关转子动力学性能的参数。
常见的参数包括转子的振动幅值、振动速度、应力、疲劳寿命等。
这些参数可以用于评估转子系统的稳定性和可靠性，帮助工程师优化设计并提高系统的性能。
总之，ANSYS转子动力学分析是一种通过ANSYS软件进行转子系统的动力学仿真分析方法。
通过建立几何模型、定义材料性质、求解运动方程和后处理分析，可以评估转子系统的动力学性能，并优化设计以提高系统的稳定性和可靠性。
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含轴裂纹汽车水泵 转子系统 动力学特性分析
胡美玲 ， 魏道 高 ， 马倩
（ ２ ３ ０ ０ ０ ９安徽省 合肥市 合肥工业大学 机械 与汽车工程学院 ）
【 Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｐ ｕ ｍ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｅ ｄ ｓ ｈ ａ ｆ ｔ ，ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ
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第５ １ 卷 第７ 期
Ｖ０ １ ． ５ １ Ｎｏ ． Ｉ Ｃ Ｕ Ｌ Ｔ Ｕ Ｒ ＡＬ Ｅ Ｑ Ｕ Ｉ Ｐ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ＆ Ｖ Ｅ ＨＩ Ｃ Ｌ Ｅ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ
２ ０ １ ３年 ７月
Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ０１ ３
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｐｕ ｍｐ Ｒｏ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ Ａｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ａ Ｃｒ ａ ｃ ｋ ｅ ｄ Ｓ ｈ ａ ｆ ｔ
［ 摘要 ］为 了获得含轴 裂纹故障的汽车水泵转子 系统的动力学特性 ， 本文将该 系统简化为水平悬臂转子 ， 建立 了
叶轮 受液体 阻力矩 的含轴裂纹水泵转子 系统力学模型。基 于该模型 。 对水泵转子动力特性进行数值仿真。结果
表 明。 水泵转子 出现轴裂纹故 障时 。 频率成分新增 了二 、 三倍频 ， 且二 、 三倍频成分幅值 随裂纹深度增加而递增 ， 轴心轨迹的形状及幅值随裂纹深度变化较大。分析结果可为水泵安全设计和裂纹故 障检测提供理论参考。 ［ 关键词 ］水泵； 悬臂转子 ； 开 闭裂纹 ； 非线性动 力学 ［ 中图分类号 】 Ｔ Ｈ１ １ ３ ． １ ； Ｕ ４ ６ ４ ． １ ３ ８ ［ 文献标志码 ］ Ａ ［ 文章编号 ］ｌ ６ ７ ３ — ３ １ ４ ２ （ ２ ０ ｌ ３ ） Ｏ ７ — ０ ０ ０ １ — ０ ５
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