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火箭发动机法兰连接系统模糊可靠性分析

作　者: 张庆雅
导　师: 汪亮
学　校: 西北工业大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 遗传算法 模糊可靠性 密封可靠性 法兰系统 蠕变 应力松弛.
分类号: V430
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 428次
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内容摘要


火箭发动机法兰连接系统在存贮和使用中的结构可靠性和密封可靠性问题受到国内外研究人员的高度重视。本文将垫片、螺栓和法兰作为一个相互作用的整体，比较深入地分析了理想情况下、有外载作用及蠕变-松弛影响下，平垫片和0形圈这两种典型的火箭发动机法兰连接系统各元件的载荷与变形、元件的结构可靠度和火箭发动机法兰系统的密封可靠度。主要研究工作如下： 1．分析了遗传算法各主要组成部分的功能，研究了遗传算法在非线性无约束和等式约束优化问题中的应用。设计的组合优化算法综合了遗传算法和牛顿迭代法的优点，不仅能在大范围内搜索到全局最优解，而且克服了简单遗传算法解精度不高的缺点。同时还给出了一种求解非线性方程组的算法，即将非线性方程组的求解问题转化为带约束的优化问题，应用遗传算法和牛顿迭代法求解。 2．对结构模糊可靠度的理论和计算方法进行了较详细的研究。当强度和应力之一为随机变量，另一个为模糊变量时，提出将模糊变量通过模糊集合截集转换为区间数，并假定模糊变量在此区间取值的可能性与相应的隶属函数值成正比。采用上述处理后，结构模糊事件的概率即转化为相应的普通事件概率，可按应力和强度为随机变量，用常规可靠性理论进行求解。 3．火箭发动机法兰连接结构首先要求各连接元件在预紧和操作情况下不发生强度破坏。为此应用弹性理论，分析了平垫片和0形圈这两种典型的火箭发动机法兰连接系统的载荷-变形关系。将垫片螺栓法兰作为一个整体，考虑到法兰旋转和内压对法兰连接系统受力与变形的影响，与不考虑法兰旋转的现有方法相比，能更好地反映法兰系统的受载情况。然后，按照极限载荷法确定螺栓与法兰环的模糊极限状态方程，并计算其模糊可靠度。算例表明，提出的螺栓和法兰环强度模糊可靠度计算方法是可行的。 4．先在理想情况下，即不考虑火箭发动机法兰连接系统各元件的蠕变-松弛影响，研究了火箭发动机法兰连接系统模糊密封可靠度的计算问题。然后考虑蠕变-松弛作用，提出了在预紧和操作情况下火箭发动机法兰连接系统载荷与变形计算的新方法。在此基础上，进一步研究了密封模糊可靠性。 5．提出了当火箭发动机法兰连接系统存在外载荷作用时，法兰环、螺栓和垫片的载荷与变形的计算方法，并对法兰连接系统各元件的结构模糊可靠性和法兰系统密封可靠性进行了相应的研究。本文方法的计算结果更趋近于文献的试验结果，比原有的工程计算方法有明显的改进。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-26
  1.1 本文的研究背景和意义  10-13
    1.1.1 问题的提出  10
    1.1.2 火箭发动机上的法兰连接系统  10-13
  1.2 结构可靠度计算及模糊数学的应用  13-21
    1.2.1 结构可靠性的研究进展  13-18
    1.2.2 结构模糊可靠度的计算  18-19
    1.2.3 法兰系统的受力与变形分析  19-20
    1.2.4 法兰系统强度可靠性与密封可靠性分析  20-21
    1.2.5 火箭发动机连接密封结构可靠性的研究现状  21
  1.3 本文的主要工作  21-22
  参考文献  22-26
第二章 用于优化计算的遗传算法  26-41
  2.1 前言  26
  2.2 遗传算法的特点及其应用  26-28
    2.2.1 遗传算法的特点  26-27
    2.2.2 遗传算法的应用  27-28
  2.3 遗传算法研究  28-35
    2.3.1 问题的描述  28-29
    2.3.2 遗传算法的组成  29-30
    2.3.3 遗传算法的设计  30-33
    2.3.4 求解无约束优化问题的遗传算法步骤  33
    2.3.5 求解等式约束的对偶遗传算法步骤  33-35
  2.4 算例分析  35-38
    2.4.1 遗传算法在无约束优化问题中的应用  35-36
    2.4.2 遗传算法在求解带等式约束优化问题中的应用  36-38
  2.5 本章小结  38
  参考文献  38-41
第三章 结构模糊可靠性  41-60
  3.1 前言  41
  3.2 结构常规可靠度的计算  41-43
    3.2.1 结构常规可靠性的应力强度干涉模型  42
    3.2.2 结构常规可靠度的干涉概率计算方法  42-43
  3.3 结构模糊可靠度的计算  43-53
    3.3.1 结构可靠性模糊信息  44-45
    3.3.2 结构的模糊可靠性  45-48
    3.3.3 结构的随机模糊可靠性  48-51
    3.3.4 结构随机模糊可靠性的数值计算方法  51-53
  3.4 算例  53-54
  3.5 固体火箭发动机壳体结构的常规可靠性和模糊可靠性  54-58
    3.5.1 固体火箭发动机壳体的结构常规可靠性  54-55
    3.5.2 固体火箭发动机壳体的结构模糊可靠性  55-56
    3.5.3 计算结果  56-58
  3.6 小结  58-59
  参考文献  59-60
第四章 法兰系统强度模糊可靠性  60-90
  4.1 前言  60
  4.2 法兰系统载荷与变形分析  60-68
    4.2.1 法兰转角θ的计算  60-64
    4.2.2 螺栓力及垫片力的计算  64-65
    4.2.3 与法兰接触面积A_g及垫片力作用点半径r_g的计算  65-67
    4.2.4 螺栓力作用点半径的计算  67-68
    4.2.5 螺栓法兰系统载荷-变形的求解过程  68
  4.3 法兰系统的应力分析  68-71
    4.3.1 螺栓的应力分析  68-69
    4.3.2 法兰环的应力分析  69-71
  4.4 法兰系统强度模糊可靠性的计算模型  71-72
    4.4.1 螺栓强度的模糊可靠性计算模型  71-72
    4.4.2 法兰环强度的模糊可靠性计算模型  72
  4.5 参数影响分析  72-84
    4.5.1 法兰环参数变化的影响  72-77
    4.5.2 螺栓参数的影响  77-78
    4.5.3 内压的影响  78
    4.5.4 算例分析  78-84
  4.6 火箭发动机法兰连接系统强度可靠性分析  84-88
  4.7 小结  88
  参考文献  88-90
第五章 法兰系统的密封模糊可靠性  90-120
  5.1 前言  90
  5.2 法兰系统密封的机理及影响因素  90-92
    5.2.1 法兰系统密封的机理  90-91
    5.2.2 影响法兰系统密封的因素  91-92
  5.3 理想情况下螺栓法兰系统的密封模糊可靠性  92-101
    5.3.1 垫片的基本特性  92-94
    5.3.2 垫片的应力与应变  94-95
    5.3.3 法兰系统的密封模糊可靠度计算  95-101
  5.4 考虑元件蠕变-松弛时法兰系统的受力与变形  101-107
    5.4.1 法兰系统各元件蠕变-松弛性能曲线的确定  102-103
    5.4.2 在预紧情况下法兰系统各元件的受力与变形  103-105
    5.4.3 在操作情况下法兰系统各元件的受力与变形  105-107
  5.5 考虑系统蠕变时的密封模糊可靠性  107-113
    5.5.1 考虑蠕变-松弛作用时法兰系统密封的模糊极限状态方程  107-108
    5.5.2 算例分析  108-113
  5.6 火箭发动机法兰连接系统密封模糊可靠性分析  113-117
    5.6.1 理想情况下火箭发动机法兰连接系统密封模糊可靠性  113
    5.6.2 考虑蠕变松弛时火箭发动机法兰连接系统密封模糊可靠性  113-117
  5.7 小结  117-118
  参考文献  118-120
第六章 外载作用下法兰系统的强度及密封模糊可靠性  120-145
  6.1 前言  120
  6.2 外载荷作用下的简化计算方法  120-121
  6.3 本文提出的在外载荷作用下的受力与变形分析方法  121-129
    6.3.1 在预紧情况下的受力与变形计算方法  121-126
    6.3.2 在操作情况下的受力与变形计算方法  126-129
  6.4 法兰系统在外载荷作用下的强度模糊可靠性  129-133
    6.4.1 在预紧情况下法兰系统的应力计算方法  129-131
    6.4.2 在操作情况下法兰系统的应力计算方法  131-132
    6.4.3 法兰环及螺栓的模糊极限状态方程  132-133
  6.5 法兰系统在外载荷作用下的密封模糊可靠性  133-139
    6.5.1 垫片的应力分析  133-134
    6.5.2 法兰系统密封模糊可靠度计算  134
    6.5.3 算例分析  134-139
  6.6 火箭发动机法兰连接系统在外载荷作用时强度和密封模糊可靠性  139-143
  6.7 小结  143-144
  参考文献  144-145
第七章 总结  145-147
  7.1 本文的主要工作  145-146
  7.2 本文的展望  146-147
致谢  147-148
博士生期间发表的论文  148

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 推进系统（发动机、推进器） > 发动机理论与计算
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