四轨电磁发射器电枢-轨道初始接触特性研究

电磁发射器中电枢轨道的不合理物理接触可能导致轨道的刨削、烧蚀和电枢转捩,进而影响电枢和轨道寿命。针对四极轨道电磁发射器电枢的结构特点,设计了基于过盈配合的电枢-轨道初始接触有限元模型,利用ANSYS进行了不同结构参数下的电枢-轨道仿真计算,获得了不同结构参数对初始接触特性的影响规律。为解决电枢尾部接触分离现象,设计了基于反向加载方式下挠度拟合的曲线电枢臂,仿真结果表明,轨道接触效率得到了提高,改善了电枢-轨道初始接触面的压力分布情况。     

电磁发射装置电-磁-热场分布的分析与仿真

为探讨电磁发射过程中出现的热烧蚀现象,构建了电磁发射及电接触层接触电阻的模型,推导出电-磁-热场耦合方程,采用有限元数值计算方法得到了在脉冲电流激励下,轨道和电枢间电流密度、磁感应强度及温度的分布图。计算过程表明:电磁发射过程实际是电-磁-热场的耦合过程,接触电阻是造成电磁发射热损耗的主要原因之一,接触电阻使得轨道和电枢接触表面区域的电流密度极大,容易造成轨道材料的烧蚀。     

电磁轨道连续快速发射下轨道中热量分布特性

电磁轨道连续快速发射下的热量积累直接决定电磁轨道发射装置的轨道寿命,而掌握轨道中累积热量的时空分布特性是对轨道进行热量管理的前提,为此分析了轨道体电阻产生的焦耳热量、电枢轨道相对滑动摩擦产生的热量和电枢轨道接触电阻产生的焦耳热量三种热量源的生成机理,并结合电枢动态发射过程中位移、速度与时间的关系,采用解析方法和有限元方法分析得到了轨道中累积热量的空间分布特性;分析了冷却通道作用下热量交换关系,得到了轨道中累积热量的时变特性。数值计算结果表明:轨道中热量来源在电枢运动起始段以焦耳热量为主,之后摩擦热量的地位逐渐上升;电枢轨道间接触电阻产生的焦耳热量占比较小;轨道体电阻产生的焦耳热量在电流上升沿结束附近对应的电枢位移处达到最大值;冷却通道作用下轨道中的累积热量随时间呈锯齿波形状变化,并逐渐趋于热量平衡。     

电磁轨道发射中内弹道动力响应特性分析

将轨道简化为移动载荷作用下固定在弹性支撑上的Bernoulli-Euler梁，通过静态电磁-结构耦合有限元模型求得外围封装的等效刚度，计算得到发射器的临界速度。另外，利用混合有限元/边界元法建立电磁-结构-运动多物理场耦合的动力学模型，求得枢轨动态接触压力和轨道的应力应变分布特性。通过在轨道背面布置光纤光栅应变传感器，利用测量数据验证了动力响应特性，并分析了弹丸在内弹道的稳定性。针对典型30 mm × 30 mm矩形口径发射器，分析及试验结果表明：C型电枢对轨道的电磁挤压力在平顶沿起始时刻达到最大值，之后随着时间推移逐渐减小；电枢通过引起的应力波在高速段容易与轨道中反射应力波发生共振，并且轨道在电枢运动的中间高速段区域受力最为集中，应力集中水平约是起始低速段区域的2.44倍；电枢运动高速段会出现晃动现象，进而引起上下轨道受力的不对称性。分析及试验结果对研究电磁轨道发射器内弹道动力响应特性和发射器结构设计具有重要指导意义。     

电磁轨道炮不同截面轨道的特性分析

轨道是电磁轨道炮的重要部件,其性能优劣直接影响轨道炮的发射性能。在传统矩形截面轨道的基础上,设计了凸形和凹形两种不同截面形状的轨道,求解了等高等面积条件下每一种截面的惯性矩,得到了截面参数的最优解。对于每种不同的形状,利用有限元软件MAXWELL对轨道表面电流密度分布进行了三维数值仿真。通过对不同形状轨道的机械和电流特性的对比分析得出:凸形截面轨道具有最大的惯性矩,可以提高电枢的临界速度;而且轨道表面电流密度分布最均匀,枢轨间电接触性能和电流密度分布最好,能很好地抑制烧蚀和电枢局部熔化,因此更适合用于电磁轨道发射。     

静止条件下轨道发射器瞬态电磁场分布有限元模拟

在电枢静止条件下建立了简单轨道发射器及块状电枢的三维有限元模型。利用ANSYS模拟得到了轨道及电枢内的瞬态电流密度分布。结果显示,在通电过程中电流趋向轨道内侧表面,并在电枢尾部与轨道接触处集中,电流线聚集是造成轨道和电枢之间放电烧蚀的最主要原因。同时得到的还有轨道发射器周围空间的瞬态磁场分布,其结果表明,感应磁场主要集中分布在靠近电枢尾部一侧的两轨道间,并向后延续到约等于4倍口径的长度,电枢所在的位置正好是磁场激增区域。     

强电流滑动电接触下枢轨接触面最佳法向载荷研究

针对电磁发射过程中电枢磨损过快容易导致转捩的问题,研究了枢轨接触面之间的最佳法向载荷。通过在合理范围内调整电枢的尾翼倾角,使枢轨接触面在工况下产生不同的接触力。经算例分析表明:当接触力值接近且稍大于最佳法向载荷时,枢轨之间可以保证良好接触且电枢磨损量较小,此时为最理想的尾翼倾角取值。该分析方法为电枢结构的优化设计提供了有效的技术途径。     

抑制弧光干扰的电磁炮光幕测速方法

电磁轨道炮发射中,电枢与导轨间的高速、带电滑动,使电枢出炮口时产生强烈的弧光,严重干扰激光光幕测速系统对电枢速度进行测试。通过对试验数据进行计算、分析,得到电枢与弧光从炮口至测试点之间的运动关系。通过对弧光光谱进行测量,提出改进方法,选择中心波长为780 nm的窄带干涉滤光片对弧光进行抑制,改进激光光幕测速系统,并进行了相应试验。结果表明:改进后的激光光幕测速系统能有效抑制弧光干扰,在相对复杂的测试环境中,具有较高测试性能,满足电磁轨道炮速度测试要求。     

电磁发射高速旋转弹丸马格努斯效应

和传统火药发射弹丸相比,电磁发射弹丸具有初速高、射程远等优势,但尾部的电枢臂槽会使弹丸部流场不再轴对称,产生独特的气动力特性。基于三维非定常Navier-Stokers方程,采用滑移网格技术,分析电磁发射弹丸的气动力特性。研究表明,对于高速旋转的电磁发射弹丸,马格努斯效应来源于激波层内流场畸变和电枢臂的迎风面积变化的共同作用;电枢臂迎风面积的周期性变化是导致气动力和力矩周期性变化的原因,马格努斯力矩在滚转角45°和135°时分别达到最小值和最大值;电枢臂槽的存在既加剧了马格努斯效应(135°时增加50%以上),又使得压心周期性前移(绝对前移量达5%),并且随着转速的增加,马格努斯力矩增加和压心前移效果越来越显著,不利于弹丸的动稳定。     

电磁轨道炮轨道温度场与热应力数值仿真

在电磁轨道炮发射过程中,因热量累积而引起的急速温升与热应力对轨道性能和寿命有着重要的影响。为获得发射过程中轨道温度场及热应力分布情况,在分析轨道热载荷的基础上,建立了热载荷计算模型,并在给定的参数下,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对3种典型截面轨道的温度场与热应力进行了数值仿真。仿真结果表明:轨道温度场与热应力轴向上呈梯度分布,纵向上只扩散到内表面很薄的区域,温度与热应力最大值在电枢初始位置处;相较于矩形与凹形截面轨道,凸形截面轨道温升与热应力较低,性能较好。     

电磁轨道发射装置磁热耦合数值计算方法

针对导轨式电磁发射装置动态发射过程中的物理场计算问题,基于发射装置的二维控制方程,推导出相应的有限元离散方程,并根据计算模型的特点,采用自由度平移法处理运动问题保证求解区域不变,建立了考虑摩擦热下的电磁-温度-运动耦合场有限元数值计算模型。根据模型计算得出了不同电枢运动下的电流密度及磁场分布,并分析了温度场在电枢轨道接触面的分布特性,结果表明:电枢运动速度越大,速度趋肤效应越明显,枢轨接触面处的电流密度、接触压强及温升越大。     

电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟

针对电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟问题,基于矢量磁位A和时间积分标量电位V,采用节点单元法,并选择运动坐标系描述运动问题,推导出动态发射下的电磁轨道发射器三维涡流场有限元离散方程。结合温度场控制方程,建立电磁轨道发射器的三维电磁-温度耦合有限元模型。针对一个电磁轨道发射器动态发射问题,对模型进行数值模拟,得到了动态发射下轨道及电枢的温度场分布特点及发射器电感梯度随时间的变化规律。计算结果表明,模型计算出的脉冲电流峰值、出口电流大小、出口速度等参数均与试验结果吻合较好,验证了所开发的有限元程序代码的正确性。     

电磁轨道炮电枢前感应磁场特性及其受力分析

电枢是电磁轨道炮中核心运动部件,也是将轨道炮系统电磁能转化为弹丸动能的媒介,电枢前的感应磁场、通流电流是推动电枢运动的根本原因,也直接决定了轨道炮系统的能量转化率。暂未考虑轨道电阻、电流趋肤效应等影响,基于面电流假设,建立了电枢前电磁感应强度场计算模型,以及电枢所受电磁力模型,基于仿真结果,研究了电枢前感应磁场强度分布特性,分析了轨道通流长度对感应磁场及电枢受力的影响。     

电磁轨道炮电感梯度影响因素分析

利用Ansoft Maxwell 14.0有限元分析软件,在考虑和不考虑电枢2种情况下对简单电磁轨道炮电感梯度的影响作对比分析,得出计算电感梯度时有必要将电枢的影响考虑进去的结论.为提高增强型轨道炮的电感梯度,分析不同轨道间距、厚度以及不同炮口宽度对2种增强型轨道炮电感梯度的影响,得出电感梯度随轨道参数变化的规律.     

静止条件下多种轨道-电枢形状的轨道炮电流分布仿真

针对等轨道截面、等炮口截面、等长度、等材料和等电流8种典型的轨道-电枢结构,在电枢速度为0 m／s的情况下,采用Ansoftl 2有限元分析软件,仿真分析电流分布特征,得到：矩形截面轨道一长方体结构电枢的轨道炮有最不均匀的电流分布特征,电流主要分布在轨道外表面和电枢后部凹表面,并且分别对应于趋肤效应和电流短路径聚集现象,跑道形截面的轨道一回转体结构电枢的轨道炮有最均匀的电流密度分布．     

轨道炮不同激励电流下的发射特性对比分析

电磁轨道炮可以推动宏观弹丸到超高速,而相同幅值、不同上升时间的激励脉冲电流波形对轨道炮的电流分布、电枢所受电磁力、炮口速度等发射特性有明显的影响。因此,主要采用Ansoft Maxwell有限元软件仿真分析的方法,对加载不同形状激励电流波形的电磁轨道炮,分析其电流分布、电感梯度及其所受电磁力的变化规律;再通过综合以上几种影响因素,对相应电流波形的电磁轨道炮发射特性进行对比分析,进而得到不同上升前沿的电流波形对轨道炮发射特性的影响。     

电磁轨道炮的三维电热力耦合数值模拟

基于有限元和边界元混合算法,辅以外电路模拟程序,开发了电磁发射三维电热力耦合数值模拟程序(Railgun3D)。该程序可描述电磁发射过程中电磁加载、欧姆加热、电枢运动等物理过程,为电磁发射系统的设计提供参考。对使用电磁轨道炮三维电热力耦合数值模拟程序的计算结果与经验公式计算以及串联增强型电磁轨道炮发射的试验结果进行了比较和分析,结果表明:所开发的程序不仅能模拟电磁发射过程,还能给出发射中电、热、力参数的变化,有助于提高对电磁发射过程的理解,可为电磁发射器的设计提供参考。     

2种结构驱动线圈对电枢受力的影响

介绍了电磁同步线圈驱动器工作原理，并利用有限元分析软件ANSYS建立驱动线圈的三维模型。在不同结构的驱动线圈的驱动下，分别对电枢所受电磁力进行仿真，得到电枢在不同情况下的受力变化规律；在加载情况完全一致的情况下，对比不同结构的驱动线圈对电枢的作用力，得出2层驱动线圈对电枢综合作用效果较好的结论。     

导轨式电磁发射装置轨道抗烧蚀技术初步研究

针对导轨式电磁发射装置的烧蚀现象,研究了沟槽烧蚀、刨削烧蚀、转捩烧蚀以及炮口电弧烧蚀等四种典型烧蚀原因及其抑制措施,并利用30 mm口径导轨式电磁发射装置原理样机进行了试验研究。结果表明:通过良好的电枢-轨道结构和材料的匹配设计,以及脉冲储能电源的输出电流波形控制,可以有效抑制轨道烧蚀现象。     

Elman动态灰色神经网络在电磁发射系统状态预测中的应用

基于电枢运行过程中所受到的多物理场作用机理,采用灰色理论对出口速度进行线性预测,分析了灰色理论存在的不足和改进措施,提出了一种Elman动态灰色神经网络并进行了仿真分析,然后将结果与传统的灰色神经网络结果进行了对比试验。结果表明:新的Elman动态神经网络预测方法具有较高的预测精度,可以为轨道式电磁发射系统连发决策、有效预防轨道烧蚀提供技术支撑。