旋转机械是指大型汽轮发电机组、水轮发电机组、核电机组、航空航天发动机、高速压缩机、离心机、离心泵和高精度机床等以转子系统为工作主体的机械设备，它们广泛地应用于电力、石化、冶金、机械、航空等各工业部门。大型旋转机械是一个复杂的多自由度非线性振动系统，常常由于出现各种不同形式的故障而影响其正常工作，有时甚至会发生由某些故障引发的严重的机毁人亡事故，并造成重大的经济损失。悬臂式旋转机械在工程中有着较为广泛的应用，例如，核电站冷却剂泵、大型轴流通风机、低扬程大流量轴流水泵机组等，都是悬臂式旋转机械。以前对于带故障旋转机械动力学特性的研究，主要是基于Jeffcott等较简单的两端支承中间为集中质量的转子模型，对于悬臂转子系统的动力学特性的研究较少，而实际中悬臂部分往往是重要的工作部件，因此研究悬臂部分在各种故障情况下的动力学特性具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文以带故障的悬臂式旋转机械转子系统为主要研究对象，首先介绍了现代接触力学的基本理论及接触问题的非线性有限元解法，然后针对悬臂式旋转机械，建立了一个双盘悬臂转子-轴承系统的力学模型，根据碰摩、松动等故障的接触本质，用非线性有限元方法研究了考虑碰摩故障、松动故障以及碰摩-松动耦合故障的双盘悬臂转子-轴承系统的动力学特性，并对双盘悬臂转子-轴承系统的若干故障进行了试验研究，最后用非线性有限元方法研究了带有碰摩故障的某核电站主泵转子系统的动力学特性，本文的主要工作表现在以下几个方面： 1.介绍了现代接触力学的基本理论及求解接触问题的非线性有限元方法，并用Jeffcott碰摩转子系统验证了用非线性有限元方法研究碰摩问题的可行性及有效性。 2.建立了双盘立式悬臂碰摩转子-轴承系统的力学模型和有限元模型，用非线性有限元方法研究了单点碰摩和不定点碰摩两种碰摩情况下转子系统的动力学特性，并考察了碰摩刚度、碰摩间隙、碰摩位置、偏心量等参数的影响，研究发现在发生单点碰摩时，都是发生碰摩的圆盘的响应谱频率成分最多，而没有碰摩的响应谱频率成分较少，而且不管是碰摩在哪个圆盘上发生，都是中间圆盘的运动轨迹先发生反进动。 3.建立了考虑一端支座松动故障的双盘立式悬臂转子系统的力学模型和有限元模型，并用非线性有限元方法研究了松动刚度、松动间隙和不同支座松动时系统的动力学特性和故障特征，研究表明支座松动较轻时，松动位置处响应谱上主要出现丰富的2倍、3倍、4倍等工频的整数倍频率成分，转子圆盘处运动变化不大；而当松动较严重时，松动位置处的响应谱上出现工频的分数倍频率成分，此时转子圆盘处的运动受支座松动的影响较大。 4.建立了考虑松动-碰摩耦合故障的双盘悬臂立式转子-轴承系统的力学模型和有限元模型，并基于非线性有限元方法和接触理论研究了松动刚度和碰摩间隙两个重要参数对悬臂盘碰摩和靠近悬臂盘一端轴承发生松动的转子系统动力学特性的影响，研究结果表明，转静件碰摩能够减小松动引起的低频振动，而支座松动产生的碰摩具有明显的方向性。 5.对双盘悬臂转子系统的碰摩、裂纹单一故障和碰摩-裂纹耦合故障进行了试验研究，研究发现，以碰为主的碰摩行为只会产生工频的2倍频、3倍频等一些高频成分，碰摩时位移具有突变特征，以摩擦为主的碰摩特点是会出现1/2、1/3、等分频频率成分和2倍、3倍等倍频频率成分。研究还发现碰摩故障具有局部特征，而裂纹则具有全局特征。 6.建立了某核电站冷却剂泵的转子-轴承系统的有限元模型，并研究了该转子-轴承系统在发生碰摩故障时系统的动力学特性，研究结果证明了用非线性有限元方法研究带故障复杂转子系统非线性动力学问题的可行性和有效性。