推进剂加注系统建模与故障模式仿真分析

论文摘要

推进剂加注系统保证了火箭发动机的推进剂供应,是发动机试验台的重要组成部分。为确保和提高其可靠性和安全性,需探寻系统的故障特征以实现准确有效的故障检测。然而加注系统的故障数据非常有限,因此在正常模型的基础上通过故障仿真的方式进行故障模式分析和研究成为可行的研究方案。本文针对液体火箭发动机加注系统,结合面向对象建模方法,应用Modelica语言和Dymola建模工具,对气、液路子系统进行了模块化建模和故障仿真的研究,主要研究内容包括:(1)详细归纳了面向对象的概念和建模方法,并对面向对象的建模工具Dymola和Modelica语言进行了概述和总结。(2)在对加注系统实际物理结构认知的基础上,应用模块化建模思想,对系统进行了合理的模块化分解。(3)分别针对气路和液路两个子系统,按照先建立数学模型再编写Modelica模型的顺序,依次构建了接口、介质、气源、贮箱、传输元件和控制元件等模块,进而构建了加注系统的两个子模块库——气路库Gas和液路库Liquid;然后依据“部件模块——子系统模型——系统模型”的步骤,从模块库中选取合适的模块逐步搭建系统模型;输入合适的参数,进行正常模型的仿真输出,并通过仿真结果与实际试验数据的对比来检验仿真精度。(4)在正常状态的模型基础上,对泄漏和堵塞两种故障模式进行了仿真,并以此总结出了故障仿真中调用模块、修改模块和设置模块参数等三种仿真方法,通过这些方法可建立故障模式仿真数据库。仿真结果表明,基于面向对象的加注系统建模与故障仿真是有效的,该技术对于后续完善推进剂加注系统故障模式库和提高液体火箭发射试验系统的安全性具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 建模技术的研究现状
• 1.2.2 故障仿真技术的研究现状
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 面向对象的建模方法
• 2.1 面向对象的技术
• 2.1.1 面向对象的概念
• 2.1.2 面向对象的建模方法
• 2.1.3 面向对象的建模实现
• 2.2 Modelica 语言
• 2.2.1 起源与发展
• 2.2.2 语言特点
• 2.2.3 语法说明
• 2.3 Dymola 仿真平台
• 2.3.1 软件平台
• 2.3.2 开发流程
• 2.3.3 模块库
• 2.4 小结
• 第三章 加注系统结构分析与模块化分解
• 3.1 加注系统结构分析
• 3.1.1 结构组成
• 3.1.2 试验过程
• 3.1.3 仿真特点
• 3.2 加注系统模块化分解
• 3.2.1 模块化建模方法
• 3.2.2 模块划分的规则
• 3.2.3 模块划分的实施
• 3.3 小结
• 第四章 加注系统模块库的构建
• 4.1 流体建模基础
• 4.1.1 流体物理性质
• 4.1.2 基本力学方程
• 4.1.3 流体阻尼模拟
• 4.2 气路系统模块
• 4.2.1 接口模块
• 4.2.2 环境模块
• 4.2.3 气源模块
• 4.2.4 管路模块
• 4.2.5 控制模块
• 4.3 液路系统模块
• 4.3.1 接口模块
• 4.3.2 介质模块
• 4.3.3 贮箱模块
• 4.3.4 管路模块
• 4.3.5 控制模块
• 4.4 小结
• 第五章 加注系统的系统建模与仿真
• 5.1 系统模型的建立
• 5.1.1 气路系统模型的建立
• 5.1.2 液路系统模型的建立
• 5.1.3 加注系统模型的建立
• 5.2 系统模型仿真结果与分析
• 5.3 小结
• 第六章 故障仿真分析
• 6.1 加注系统故障表现形式
• 6.2 故障仿真分析
• 6.2.1 泄漏故障仿真
• 6.2.2 堵塞故障仿真
• 6.2.3 其它故障仿真
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果