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载人飞船回收着陆系统可靠性研究

作　者: 王学
导　师: 高普云
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 载人飞船回收着陆系统可靠性降落伞流固耦合
分类号: V476.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

安全回收着陆是载人航天的最后一个环节,回收着陆的成败不仅仅关系到航天员的生命安全,而且具有重要的政治意义,这对载人飞船回收着陆系统的可靠性提出了很高的要求。本文从系统可靠性建模、分配、评估等方面对载人飞船回收着陆系统的可靠性进行了深入研究,并对侧风作用下降落伞流固耦合问题进行了数值分析。本文的研究涉及到概率与统计、固体力学、流体力学等学科,主要研究内容如下:1.提出了载人飞船回收着陆系统可靠性建模方法,给出了准确的回收着陆系统可靠性框图,事件树及故障树。为了描述回收着陆系统的可靠性关系,定义了一种新的可靠性模型——和联模型,以弥补传统可靠性模型的局限性。针对降落伞系统中监测装置具有多种任务及多种失效模式的特点,提出了考虑两类监测失效时冷贮备系统的可靠性建模方法,依据该方法建立了准确的降落伞系统可靠性模型。在上述研究基础上,对回收着陆系统进行了从上至下的可靠性建模,并根据工程实际情况对模型进行了合理简化。建立了回收着陆系统的可靠性事件树,给出了获取其系统最小路集和最小割集的方法。通过分析可靠性故障树与事件树的关系,总结了从事件树建立故障树的原则方法,并据此建立了回收着陆系统的故障树。2.提出了两种适用于回收着陆系统的可靠性分配方法。针对现有可靠性分配方法难以应用到载人飞船回收着陆系统的问题,本文提出了两种基于任意可靠性函数的分配方法:基于可靠性重要度和难度的逐步分配法和基于优化算法的最小难度分配法,给出了相应的计算流程,并将其应用于对回收着陆系统的可靠性分配。上述可靠性分配方法只需要系统的可靠性函数以及各单元的可靠度预测值,具有良好的适应性,可以推广应用于其它系统。3.给出了适应回收着陆系统及其单机部件特征的可靠性评估方法。基于Bayes思想对降落伞可靠性进行了评估。该方法采用Bayes方法将降落伞强度试验信息和系统级空投试验信息进行融合,能全面客观地反映降落伞的可靠性,其评估结果与工程实际情况相符。回收着陆系统中含有多种类型单元试验数据,这给系统可靠性评估带来了困难,因而需要将非成败型数据折算为成败型数据。针对这一问题,在分析现有可靠性数据折算方法及其局限性的基础上,本文提出了两种具有更高折算精度可靠性数据折算方法:优化两点法和多点优化法。应用实践表明,优化两点法和多点优化法较现有折算方法的折算精度有大幅程度提高,并具有较好的适应性。4.作为降落伞可靠性分析的进一步探索,本文对侧风作用下降落伞的流固耦合问题进行了数值分析。降落伞流固耦合仿真计算可以为可靠性评估提供丰富的各种工况下的仿真试验数据,弥补空投试验数据的不足。另外,降落伞的可靠性与其失效模式密切相关,而降落伞存在结构破坏、缠绕、塌陷、侧翻等多种失效模式,强度试验信息只能反映其结构破坏失效模式,而无法反映其它失效模式。为了确定合理的降落伞可靠性特征量,有必要通过降落伞流固耦合数值计算分析降落伞各环节的运动特征。在预测-多步校正时间积分方法的基础上,本文提出了用于求解流固耦合问题的同步交替法。同步交替算法不仅有效地减小了流固耦合方程的规模,同时使耦合边界上的物理量在每一时间步达到协调。应用于求解弹性板在来流中振动的问题,获得了良好的计算效果。基于修正弹性方程网格更新算法,将同步交替法应用于对侧风作用下降落伞流固耦合问题的求解,编制了相应的FORTRAN流固耦合计算程序。在简化模型下,对多种情形下的降落伞流固耦合进行了数值计算,获得了降落伞及其周围流场的运动特征,分析了降落伞发生侧翻、缠绕等失效模式的条件,初步确定了与降落伞侧翻、缠绕等失效模式相关的可靠性特征量。本章的研究为进行下一步降落伞流固耦合问题研究和可靠性分析奠定了基础。本文的研究为回收着陆系统可靠性建模、分配及评估提供了有效的分析方法。所提出的系统可靠性建模方法、系统可靠性分配方法、降落伞可靠性评估方法、可靠性数据折算方法、流固耦合同步交替求解法等研究成果可进行推广应用,具有重要的理论与工程价值。

全文目录

摘要  12-14
Abstract  14-17
第一章绪论  17-27
  1.1 研究背景及意义  17-19
  1.2 相关领域的研究状况  19-23
    1.2.1 可靠性发展史介绍  19-20
    1.2.2 系统可靠性分析方法简述  20-21
    1.2.3 复杂系统可靠性分配  21-22
    1.2.4 复杂系统可靠性评估  22-23
    1.2.5 降落伞流固耦合数值计算  23
  1.3 研究思路及内容安排  23-27
    1.3.1 存在的问题及解决思路  23-25
    1.3.2 本文的主要研究内容  25-27
第二章载人飞船回收着陆系统可靠性建模  27-65
  2.1 引言  27
  2.2 载人飞船回收着陆系统可靠性特征分析  27-32
    2.2.1 载人飞船回收着陆系统的组成及工作流程  27-30
    2.2.2 载人飞船回收着陆系统的可靠性特征分析  30-32
  2.3 可靠性和联模型  32-34
  2.4 考虑两类监测失效时冷贮备系统的可靠性建模  34-46
    2.4.1 问题分析  34-35
    2.4.2 传统冷贮备模型的局限性分析  35-36
    2.4.3 冷贮备时不变系统的可靠性数学模型  36-39
    2.4.4 冷贮备时变系统的可靠性数学模型  39-41
    2.4.5 单元服从指数寿命分布时冷贮备系统的可靠性数学模型  41-42
    2.4.6 算例分析  42-45
    2.4.7 考虑两类监测失效时冷贮备系统可靠性建模小结  45-46
  2.5 降落伞系统的可靠性建模  46-53
    2.5.1 降落伞系统特点及冷贮备模型局限性分析  46-49
    2.5.2 关于“转换失败即系统失效”的简述  49
    2.5.3 降落伞系统可靠性事件树  49-50
    2.5.4 降落伞系统可靠性框图  50-52
    2.5.5 降落伞系统可靠性数学模型  52-53
    2.5.6 算例分析  53
    2.5.7 降落伞系统可靠性建模小结  53
  2.6 载人飞船回收着陆系统的可靠性建模  53-61
    2.6.1 总体可靠性模型  54-55
    2.6.2 一级子模块可靠性模型  55
    2.6.3 二级子模块可靠性模型  55-57
    2.6.4 三级子模块的可靠性模型  57-61
  2.7 载人飞船回收着陆系统可靠性建模的简化  61-63
    2.7.1 主伞包开关判别装置可靠性模型的简化  61-62
    2.7.2 速度判别装置可靠性模型的简化  62
    2.7.3 简化后的系统可靠性模型  62-63
  2.8 本章小结  63-65
第三章载人飞船回收着陆系统故障树分析  65-79
  3.1 引言  65
  3.2 回收着陆系统的可靠性事件树  65-67
    3.2.1 顺序运行系统的可靠性事件树特征  65-66
    3.2.2 最小路集与最小割集  66
    3.2.3 回收着陆系统的可靠性事件树  66-67
  3.3 从可靠性事件树建立故障树  67-74
    3.3.1 可靠性事件树与故障树的关系  67
    3.3.2 从可靠性事件树建立故障树的方法  67-72
    3.3.3 从可靠性事件树建立故障树的示例  72-74
  3.4 回收着陆系统的可靠性故障树  74
  3.5 本章小结  74-79
第四章载人飞船回收着陆系统可靠性分配  79-93
  4.1 引言  79-80
  4.2 基于可靠性重要度和难度的逐步分配法  80-88
    4.2.1 问题描述  80
    4.2.2 可靠性分配原则  80-81
    4.2.3 可靠性难度函数  81-82
    4.2.4 分配方法的理论基础  82-83
    4.2.5 可靠性分配流程  83-86
    4.2.6 算例分析  86-88
  4.3 基于优化算法的最小难度分配法  88-91
    4.3.1 问题描述  88-89
    4.3.2 可靠性分配流程  89-90
    4.3.3 算例分析  90-91
  4.4 载人飞船回收着陆系统可靠性分配  91
  4.5 本章小结  91-93
第五章载人飞船回收着陆系统可靠性评估  93-113
  5.1 引言  93
  5.2 回收着陆系统单元可靠性评估  93-94
  5.3 降落伞可靠性评估  94-101
    5.3.1 降落伞验前可靠度pdf  95-98
    5.3.2 降落伞验后可靠度pdf  98
    5.3.3 降落伞可靠性评定及试验量决策  98-99
    5.3.4 算例分析  99-101
    5.3.5 降落伞可靠性评估小结  101
  5.4 回收着陆系统系统可靠性评估  101-102
  5.5 可靠性数据折算  102-112
    5.5.1 可靠度置信分布  103
    5.5.2 现有的折算方法及其局限性分析  103-105
    5.5.3 优化两点法  105-107
    5.5.4 多点优化法  107-108
    5.5.5 算例分析  108-111
    5.5.6 可靠性数据折算小结  111-112
  5.6 本章小结  112-113
第六章侧风作用下降落伞流固耦合数值分析  113-137
  6.1 引言  113-114
  6.2 流固耦合同步交替求解法  114-124
    6.2.1 同步交替法的提出  114-116
    6.2.2 流固耦合系统动力学有限元方程  116-117
    6.2.3 同步交替法数值求解过程  117-120
    6.2.4 同步交替法求解流体-弹性板耦合作用  120-122
    6.2.5 同步交替法小结  122-124
  6.3 侧风作用下降落伞流固耦合数值计算  124-130
    6.3.1 问题描述  124
    6.3.2 耦合作用的实现  124-126
    6.3.3 网格运动算法  126-127
    6.3.4 计算结果及分析  127-130
  6.4 本章小结  130-137
第七章结论与展望  137-141
  7.1 研究结论  137-139
  7.2 研究展望  139-141
致谢  141-142
参考文献  142-155
作者在学期间取得的学术成果  155-156

载人飞船回收着陆系统可靠性研究

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