随着近代旋转机械的设计向高转速、轻柔结构的趋势发展,叶片和转子的柔性在许多特定的情况下处于同一量级。高转速的转子系统常常处于超临界运动状态,低转速时可以视为刚性的旋转部件,高转速时必须考虑为弹性部件参与耦合振动。因此,在研究高转速转子系统的动力学行为时,不能再将叶片和转轴分开考虑,而是要建立更为精确的考虑叶片和转轴耦合效应的动力学模型。另一方面,随着旋转机械机组容量的增大和设计参数的提高,非线性因素对系统动力学性能的影响也越来越显著。轴承作为旋转机械必不可少的结构之一,其中的油膜力是转子系统重要的非线性激励源。而非线性油膜力引发的油膜涡动和油膜振荡是转子系统较常见的故障。因此有必要建立由叶片、转子和轴承构成的耦合非线性动力学模型,并应用现代非线性动力学理论研究该系统的分岔、混沌等非线性动力学特性。本文针对航空发动机、燃气轮机等大型旋转机械设计制造中存在的问题,建立了叶片-转子-轴承耦合系统的非线性动力学模型,利用该模型研究了叶片、转子和轴承的耦合动力学特性,取得了一些创新性成果。具体的研究内容和成果有:采用Lagrange方程建立了叶片-转子-轴承耦合系统的非线性动力学模型。利用集中质量法将转子系统离散,为分析叶片对转子的惯性效应并考虑系统的时变性,将叶片模化为单摆模型。为将模型简化,首先,应用正交变换将与转子横向运动发生耦合的叶片1-节径运动和叶片其它节径运动解耦,从而将耦合的非线性系统由8 + 2 n ( n≥3)个自由度降低至12个自由度,同时得到了2n-4个描述叶片k-节径( k≠1)运动的相互独立的线性微分方程。然后,利用周期变换将耦合时变微分方程转化为常系数微分方程。在两次变换后,获得了一个含有12个自由度的常系数耦合非线性方程组和2n-4个相互独立的线性微分方程。这个降维方法即保留了叶片和转子之间的耦合效应,又降低了非线性微分方程组的维数,提高了耦合系统的求解效率,为高效准确地分析系统的非线性动力学特性奠定了基础。当采用刚性转子假设时,叶片-刚性转子-轴承系统非线性动力学模型的自由度数进一步降至4。利用短轴承非线性油膜力模型获得非线性油膜力。对耦合模型的数值分析显示了叶片-刚性转子-轴承系统的动力学特性,与不考虑叶片振动的情况相比较,揭示了叶片振动对刚性转子-轴承系统非线性动力学特性的影响。为分析柔性叶片、弹性转子和轴承之间的耦合动力学特性,利用对称转子假设,分别建立了叶片-单盘转子-轴承系统模型和叶片-双盘转子-轴承系统模型。由于转子的对称性,这两个模型都忽略圆盘的偏转运动和叶片的平面外运动,解耦后的模型中,系统的自由度数分别缩减至8和12。通过对模型的求解,着重分析了叶片振动和弹性转子—轴承系统之间的耦合效应。对于非对称转子,在建立叶片-转子-轴承系统动力学模型时,将陀螺力矩对转子的影响考虑在内。此模型较全面的考察了转子与叶片的耦合效应。通过求解12个自由度的耦合非线性系统,分析了叶片振动对转子动特性的影响,并详细讨论了叶片刚度和长度等参数对转子动力学行为的影响。为分析耦合系统中叶片的振动特性,将叶片k-节径运动微分方程的解析解离散,结合耦合模型中叶片1-节径运动的数值解,获得了叶片的平面内和平面外运动的动态响应,揭示了耦合系统中叶片振动蕴含的非线性特性。对带有外伸端结构的转子,建立了叶片-悬臂转子-挤压油膜轴承系统的动力学模型。挤压油膜阻尼器的油膜力采用Raynolds边界条件下的短轴承假设的非线性油膜力模型。该模型含有两个圆盘,其中一个圆盘位于两个轴承之间,另一个圆盘在转子的外伸端上,而且在每个圆盘上都带有若干弹性叶片。叶片-悬臂转子-挤压油膜轴承耦合系统解耦后共有24个自由度。通过对系统进行数值求解,分析了叶片振动对悬臂转子动力学行为的影响。研究表明在分析此类系统的动力学特性时,必须考虑叶片、转子和轴承之间的耦合效应。