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可重复使用液体火箭发动机智能减损控制方法研究

作　者: 魏鹏飞
导　师: 陈启智
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 液体推进剂火箭发动机减损控制律传统优化方法智能方法综合分析
分类号: V434
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 221次
引　用: 4次
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内容摘要

本文结合我国液体火箭发动机的研制动态与发展趋势,针对某型液氧/煤油火箭发动机,采用理论分析与数值仿真计算相结合的研究方法,开展了可重复使用液体火箭发动机的智能减损控制方法研究。通过在液体火箭发动机系统性能与关键部件损伤之间的适当权衡,提高发动机的可靠性、安全性、部件的耐用性并延长发动机的工作寿命。分别进行了发动机系统动力学模型的建立与仿真分析、关键部件结构与损伤模型的建立与仿真分析的研究,得到如下结果:开发了一种比较通用的液体火箭发动机模块化仿真模块库LRESim,可用其仿真研究发动机起动、稳态等工作过程以及不同的发动机系统方案设计中的有关问题;通过比较研究有限元方法与强度计算方法在涡轮叶片结构动特性分析中的适用性问题,提出以强度计算方法在线应用为主,结合有限元方法的离线修正是现阶段进行结构动特性实时在线分析的一种较好方法;建立了涡轮叶片材料基于时域的损伤计算模型,经仿真计算分析,表明该模型适应本文的研究要求。在此基础上,提出并阐明了减损控制律综合分析的理论基础。基于传统优化方法与智能方法,比较研究了可重复使用液体火箭发动机的减损控制方法。应用主目标法与线性加权和法,发展了基于传统优化方法的减损控制律综合分析的理论与方法,并通过仿真计算,分析了这两种方法的优越性与局限性。提出了应用遗传算法进行液体火箭发动机减损控制律综合分析的一般方法,并应用SPEA综合分析减损控制律,仿真计算结果表明了应用遗传算法能够克服传统优化方法综合分析减损控制律时所存在的局限性。提出应用模糊神经网络设计一种智能减损控制器的结构与设计方法,通过对所设计的模糊神经网络减损控制器进行仿真计算,结果表明该减损控制器能够在发动机系统性能与关键部件损伤之间进行权衡并实现预期的减损目标。本文研究结果可为可重复使用液体火箭发动机智能减损控制技术的进一步发展提供理论与方法支持,而且也可以对工程中液体火箭发动机的改进设计提供重要参考。

全文目录

摘要  12-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-26
  1.1 引言  15-16
  1.2 可重复使用液体火箭发动机减损控制的概念及意义  16-17
  1.3 减损控制研究进展分析  17-23
    1.3.1 发动机系统动力学模型研究进展分析  18-19
    1.3.2 关键部件结构模型研究进展分析  19
    1.3.3 结构材料损伤模型研究进展分析  19-20
    1.3.4 减损控制律综合分析与减损控制器设计研究进展分析  20-21
    1.3.5 减损控制技术应用于其他系统的研究进展分析  21-23
  1.4 减损控制技术与导弹武器系统延寿技术的联系与区别  23-24
    1.4.1 两者之间的联系  23
    1.4.2 两者之间的区别  23-24
  1.5 本文的研究内容  24-26
第二章可重复使用液体火箭发动机智能减损控制方案研究  26-33
  2.1 引言  26
  2.2 智能减损控制方案与关键技术分析  26-30
    2.2.1 以往研究所采取的方案与关键技术分析  27-28
    2.2.2 本文研究采取的方案与关键技术分析  28-30
  2.3 本文研究对象的选择  30-32
  2.4 小结  32-33
第三章液体火箭发动机动力学建模与分析  33-54
  3.1 液体火箭发动机动力学模型  33-39
    3.1.1 发动机系统简介  33-34
    3.1.2 发动机组件动力学模型  34-39
  3.2 通用化LRE仿真模块库的MATLAB/Simulink实现  39-43
    3.2.1 LRE仿真的Simulink模块库  40-42
    3.2.2 LRE数学模型的求解算法  42-43
  3.3 液氧/煤油补燃循环发动机工作过程仿真  43-53
    3.3.1 基于LRESim建立液氧/煤油发动机的仿真模型  43-45
    3.3.2 起动过程的仿真研究  45-51
    3.3.3 发动机工作过程仿真  51-53
  3.4 小结  53-54
第四章涡轮叶片的结构动力学建模与分析  54-72
  4.1 引言  54-55
  4.2 涡轮叶片结构动特性的有限元分析  55-64
    4.2.1 用有限元分析法建立涡轮叶片的结构动力学模型  55-57
    4.2.2 涡轮叶片的应力分析  57-60
    4.2.3 涡轮叶片结构动特性的有限元分析结果  60-64
  4.3 涡轮叶片应力的近似计算  64-71
    4.3.1 离心拉伸应力的计算  64-66
    4.3.2 弯曲应力的计算  66-69
    4.3.3 旋转下的振动应力  69-70
    4.3.4 计算结果与分析  70-71
  4.4 小结  71-72
第五章涡轮叶片的疲劳损伤建模与分析  72-90
  5.1 引言  72-73
  5.2 涡轮叶片的疲劳损伤分析方法及模型  73-76
    5.2.1 循环应力-应变曲线  73-74
    5.2.2 应变-寿命法  74-76
    5.2.3 Miner疲劳累积损伤理论  76
  5.3 基于时间的疲劳损伤在线计算模型  76-80
    5.3.1 基于时间的损伤定义  77-78
    5.3.2 弹性损伤与塑性损伤的加权平均  78-80
  5.4 应用损伤曲线法建立非线性累积损伤模型  80-84
    5.4.1 加载序列效应对疲劳损伤的影响  81
    5.4.2 损伤曲线法  81-82
    5.4.3 改进的损伤曲线法  82-84
  5.5 涡轮叶片的疲劳损伤计算  84-89
    5.5.1 涡轮叶片的应力-时间历程(应力谱)  85-86
    5.5.2 疲劳损伤计算流程分析  86-87
    5.5.3 涡轮叶片疲劳损伤计算  87-89
  5.6 小结  89-90
第六章基于传统优化方法的LRE减损控制方法研究  90-119
  6.1 引言  90-92
  6.2 LRE减损控制律综合分析过程  92-97
    6.2.1 LRE减损控制的一般分析过程  92-93
    6.2.2 构造目标函数  93-94
    6.2.3 提取约束条件  94-95
    6.2.4 问题的解  95-97
  6.3 LRE减损控制律综合分析的传统优化方法  97-112
    6.3.1 减损控制律综合分析的主要目标法  97-105
    6.3.2 减损控制律综合分析的线性加权和法  105-111
    6.3.3 传统优化方法综合分析减损控制律的优越性与局限性  111-112
  6.4 液体火箭发动机减损控制研究算例  112-118
    6.4.1 算例一：起动过程中控制输入序列的优化选择  113-115
    6.4.2 算例二：起动过程的减损控制  115-118
  6.5 小结  118-119
第七章基于智能方法的LRE减损控制方法研究  119-145
  7.1 引言  119-120
  7.2 LRE减损控制律综合分析的遗传算法  120-132
    7.2.1 遗传算法在LRE减损控制律综合分析中的适用性  120
    7.2.2 遗传算法分析LRE减损控制律的基本问题分析  120-124
    7.2.3 SPEA在LRE减损控制律综合分析中的应用  124-127
    7.2.4 仿真计算结果与分析  127-132
  7.3 基于模糊神经网络的LRE减损控制研究  132-144
    7.3.1 LRE模糊神经网络减损控制系统  132-133
    7.3.2 模糊神经网络减损控制器设计  133-139
    7.3.3 模糊神经网络减损控制器的训练与测试  139-141
    7.3.4 仿真计算结果与分析  141-144
  7.4 小结  144-145
结束语  145-149
致谢  149-151
参考文献  151-162
攻读博士学位期间发表论文及参与科研项目  162

可重复使用液体火箭发动机智能减损控制方法研究

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