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。     

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。     

串联增强型四轨电磁发射器轨道电磁特性分析

为更好地评估串联增强型四轨电磁发射器轨道的发射性能和使用寿命,研究了串联增强型四轨电磁发射器主、副轨道内部的电磁场特性以及所受的电磁力.构建了串联增强型四轨电磁发射器轨道的物理模型,在此基础上,提出主、副轨道的磁场模型和所受电磁力的计算公式.采用有限元分析方法,仿真比较了串联增强型四轨电磁发射器主、副轨道内部的电流和磁场分布以及所受电磁力的大小.结果表明:串联增强型四轨电磁发射器主轨道比副轨道的电流集中现象更明显,所处的电磁环境更加恶劣且要承受更大的电磁力.     

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。     

电磁发射弹丸飞行弹道仿真

针对电磁发射弹丸飞行弹道进行仿真研究，在建立刚体六自由度飞行弹道模型的基础上，采用时频分析和涡流分析方法，建立电磁-动力学耦合模型分析弹丸出膛时由于膛内振动带来的炮口扰动，采用动网格技术建立电磁-气动耦合模型分析弹托分离产生的气动扰动，从而得到了电磁发射弹丸的飞行弹道模型。以得克萨斯大学先进技术研究所设计的IAT-HVP为例，仿真分析了弹丸以1117 m/s初速、0°射角出膛时弹丸出口扰动对弹体速度和气动特性的影响，并得到其飞行200 m的弹道曲线。仿真结果表明，受电磁发射一体化弹丸出口扰动的影响，弹体落点相比理想弹道产生了24%的偏差，其中炮口扰动引起的偏差最大，其次是弹托分离。     

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。     

连射身管温度场及弹丸扰动分析

以小口径自动步枪枪弹和身管为研究对象.建立身管温度场有限元模型,在传热学的基础上结合内弹道计算结果分析身管传热,得到连射情况下的身管温度场,并以此为边界建立连发射击身管-弹丸热力耦合有限元模型,加载内弹道膛压曲线,采用有限元显示动力学分析弹丸膛内变形以及运动特性.研究结果表明:温度升高引起弹丸材料变形和应力变化是导致弹...     

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。     

电磁发射用脉冲电抗器应力分析及结构设计

基于对电磁力以及热应力的解析计算公式的推导，运用ANSYS有限元仿真软件对固定电抗器顶底端面情况下的铜箔进行电磁-温度-结构耦合分析，分别得出热应力及所受总应力与应变的分布情况。进一步对电抗器的结构进行优化，综合考虑其结构强度要求与连发温度要求，确定电抗器的最优设计结构，最终通过试验验证出仿真与设计方案真实可信。     

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。     

圆筒直线感应电机电磁振动响应特性分析

针对某电磁发射用圆筒直线感应电机的电磁振动响应特性问题进行了分析。首先，建立了直线电机二维电磁场分层子域模型，通过涡流场有限元仿真验证了模型的精确性，并基于麦克斯韦张量法和洛伦兹力法推导了电磁激振力表达式，利用二维傅里叶分解得到定子电磁力时空分布特性；然后，基于有限元法构建了发射电机定子三维动力学模型，模态计算结果与试验吻合良好，采用有限元法进行电磁振动谐响应计算，结果有效性通过稳态动子堵驻通电试验得到了验证，证明了发射电机定子结构可以简化为理想薄壁圆柱壳，电磁振动响应主要由轴向呼吸模态决定；最后，基于简化模型对比分析了电磁振动响应影响因素，结果表明：电磁激振力径向分量和轴向分量均为结构响应的主要贡献源，而与电磁力波轴向模数呈负相关规律。     

钢—混凝土复合爆炸容器内爆响应数值模拟

应用动力有限元方法模拟了轴对称椭球顶圆柱密闭式抗爆容器内部爆炸流场,并对钢衬-混凝土复合容器壁的应力应变响应进行了数值模拟分析.分析结果显示:钢衬层应力波动的低、高频两部分分别起因于压力波的反复作用及钢衬结构的本征振动,二次波对容器顶部的作用很重要,并由此对混凝土的塑性及损伤的时空分布产生重要影响.数值模拟结果与实验结果一致.     

轴向应力波作用下的圆柱壳弹塑性后屈曲

为揭示柱壳屈曲变形的发展机理及屈曲波与弹塑性应力波耦合传播间的关系,运用非线性显示动力学有限元分析方法对承受轴向高速冲击载荷作用下柱壳的弹塑性后屈曲过程进行了研究。分析结果表明:对于柱壳在轴向高速冲击下的弹塑性轴对称动力屈曲,主要屈曲变形发生在柱壳的两端,屈曲变形的产生及发展与应力波在壳中的传播过程密切相关;塑性应力波在整个屈曲过程中起了绝对支配的作用;屈曲波的产生及发展,都与塑性波的传播及反射有关;弹性应力波由于在整个屈曲过程中持续的时间极短,处于次要的地位。     

材料压剪加载的实验测试

利用Ｙ—切石英晶体的各向异性动态响应材料特性,实现对粘接在石英晶体后表面的材料试件的一维平面复合压缩剪切加载。用电磁质速法测试试件中不同位置上的质点在压剪加载下的运动情况。从处于粘接界面上的量计所测纵向质速史和横向质速史,可以看到压剪波传入试件中的清晰的两波（ＱＬ波,ＱＴ波）结构,与理论估计基本相符;其它位置上量计的测试曲线亦反映了材料对压剪波传播的动态响应特点,可以看到剪切波的衰减规律。     

航速振荡对船舶纵摇与垂荡耦合运动的响应模型

为解决船舶纵向速度振荡对纵摇与垂荡运动响应影响问题,开展了有船舶纵向速度振荡条件下的纵摇与垂荡耦合运动响应模型研究。建立了一组坐标系,基于弗汝德-克雷洛夫假定,推导了船体切片的浮力、阻尼力和惯性力,通过对切片的积分得到了船体纵摇和垂荡的水动力(矩),推导并得到了纵摇与垂荡耦合运动响应方程。初步讨论分析了纵向振荡速度、加速度和位移对船体水动力及波浪力(矩)的影响,得到了纵向振荡位移对纵摇与垂荡耦合运动特性有显著影响的初步结论。     

激光熔覆搭接过程残余应力应变的有限元计算

激光熔覆过程中产生的残余应力与应变对熔覆层的裂纹开裂倾向有重要影响。利用有限元法对激光多道搭接过程熔覆层的残余应力和应变进行计算,计算过程中主要考虑瞬时温度变化引起的热应力、σ-ε曲线、有限元网格、力学边界条件4个方面。热应力主要在温度场计算结果的基础上求得;σ-ε曲线采用的是线性强化材料的弹塑性曲线;有限元网格主要采用分区划分的形式进行。通过计算,得到了搭接后的熔覆层上关键点的残余应力和应变分别为1 400 MPa和2.2×10^-2。结果表明：搭接熔覆层交界处的点产生焊趾裂纹的倾向最大,第1道熔覆顶点处产生横向裂纹的倾向次之。     

尾流模拟火箭弹空中弹道对模拟尾流生成区域的影响

为了研究尾流模拟火箭弹的空中弹道特性对模拟尾流区域的影响，建立火箭弹质点外弹道模型、阻力板和发动机空间运动微分方程以及连接绳的受力模型，得到火箭弹无控飞行、空中转向、空中分离至爆索展开入水全过程的空间运动微分方程。对尾流模拟火箭弹全程弹道进行仿真分析，着重分析不同初始射击诸元对爆索空中弹道的影响，探究初始发射角、脉冲发动机的喷管数量、点火时间以及火箭弹空中分离时间对模拟尾流生成区域的影响。仿真结果表明：初始发射角为15°时火箭弹射程和最大射高相对比较合理；火箭弹空中转向角度依赖于脉冲发动机总冲量，与点火时刻无关；空中分离时刻对爆索入水发泡区域影响不太明显，在满足转向要求和发泡区域要求的情况下应该尽早完成空中转向和分离。