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火箭发动机法兰连接系统模糊可靠性分析

张庆雅  
【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。


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