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。     

新型四极轨道电磁发射器

提出一种新型四极轨道电磁发射器模型,并对其进行数值分析及有限元仿真。设计了四极轨道和三叶花瓣状抛体,通过抛体的三组径向电流与四极轨道产生的三组环向磁场正交。环向磁场和流过抛体的径向电流相互作用产生轴向加速力。此外,新型四极轨道电磁发射器的结构设计有利于克服发射过程带来的巨大振动,提高发射精度和准确性。基于理论计算和有限元验证,对抛体的电流及磁场分布进行了分析。结果表明:与传统轨道电磁发射器相比,四极轨道电磁发射器能产生更大的轴向加速力。同时随着轨道电流的增加,抛体所受推进力也会增加。     

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。     

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.     

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。     

多级电磁线圈发射器时序触发策略研究

为优化多级同步感应线圈电磁发射器(SICEML)性能,以提高发射速度和能量转换效率为检验指标,以影响上述指标的触发时序为优化对象,采用遗传算法建立了单级同步感应线圈型电磁发射器触发位置优化数学模型,计算出了最佳触发位置,通过数值和有限元两种仿真系统对优化结果的正确性进行了验证；采用该方法对两级以及10级同步感应线圈型电磁发射器的触发时序进行了优化研究,并进行了仿真验证；为解决了仿真系统误差的问题,提出采用动子线圈在各级的触发位置和速度作为控制因素的双控触发方式,并研究分析了仿真过程中触发开关的随机抖动对出口速度误差的影响。     

基于轨道发射器烧蚀的结构优化设计及有限元模拟

从简单轨道发射器的结构组成和烧蚀机理入手,分析并总结引起简单轨道发射器烧蚀的原因,提出通过改变轨道发射器的结构来改善导轨烧蚀的方法,设计一套结构优化设计方案并对其进行相应的ANSYS有限元模拟,其结果证明该方案能够较好地解决电磁轨道发射器烧蚀的问题。     

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。     

Modeling and simulation of muzzle flow field of railgun with metal vapor and arc

During the electromagnetic railgun launching process, there will be a complex flow field with high temperature in the muzzle area because of the high-speed friction, transition and secondary arc-ignition. This paper models the muzzle area of railgun when the projectile is far away from the muzzle, and the dynamic simulation of the flow field with secondary arc in the muzzle area is carried out based on the magneto hydrodynamic equations. Meanwhile, a multi-component plasma transport model is used to analyze the muzzle arc plasma flow process of the mixed gas of Al vapor and the air. Furthermore, the pressure boundary conditions are fitted by the dynamic mesh simulation results. The current and voltage of the muzzle are obtained through the emission experiment of the railgun experimental prototype. We load the current data into the simulation model and the voltage of experiments and simulations are compared, which proves the accuracy of the simulation. Then the plasma temperature and the composition of Al vapor in the muzzle flow process are analyzed in-depth.     

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．     

Numerical simulation of dynamic large deformation and fracture damage for solid armature in electromagnetic railgun

The design of solid armature of railgun should take full account of its operating conditions and material properties because the armature is subjected to dynamic loading conditions and experiences a complicated electrical, thermal and mechanical process in the interior ballistic cycle. In this paper present, we first introduced a multi-physical field model of railgun, followed by several examples to investigate the launching process. Especially, we used the explicit finite element method, in which material nonlinearity and geometric nonlinearity were accounted, to investigate the deform behaviors of solid armature. The results show that the dynamic mechanical process of armature is dependent on the armature geometry, material and exciting electric current. By the numerical simulation, the understanding of the fracture mechanism of solid armature was deepened.     

电控增压泵高速电磁阀电磁力预测模型构建

为科学预测超高压共轨系统电控增压泵高速电磁阀的电磁力性能,采用响应面法构建电磁力预测模型,实现其性能的高效预测与优化。建立电控增压泵高速电磁阀的三维有限元仿真模型,并通过试验进行了验证。基于试验设计思想,选取驱动电流、工作气隙、衔铁厚度、线圈匝数、主磁极半径、阻尼孔半径这些关键因素,通过响应面法制定了54组样本点的电磁力数值试验研究方案,构建电磁力预测模型,经过R检验,且仿真试验验证电磁力预测模型最大误差为1.3%,表明该模型能够准确预测电控增压泵高速电磁阀电磁力,为超高压共轨系统控制系统设计及优化提供理论依据。     

基于灰色模型的电磁轨道发射装置温度研究

在电磁发射过程中导轨温度受众多因素影响,而其中部分因素很难进行精确分析,为此运用灰色系统的分析方法对电磁轨道发射装置温度进行研究。为获取模型所需实验数据,搭建电磁轨道发射装置测试系统,并借此测量发射过程中的电流、导轨温度、出口速度等数据。由于测量仪器限制,借助ANSYS有限元仿真对测得的导轨温度数据进行修正,以获得导轨内表面温度。基于经典GM(1,N)模型与Simpson公式,提出一种改进型灰色模型,并以此方法对导轨温度展开研究,进一步选取同能级试验,对不同位置处各因素温升贡献度进行讨论。结论为进一步深入研究导轨温度提供参考和依据。     

导弹发射车抗毁伤能力分析与评估技术研究综述

现代战争日趋透明给导弹发射车战场生存带来了严峻挑战。围绕发射车的抗毁伤能力分析和评估技术,分析了发射车面临的毁伤威胁和毁伤作用机理,从抗毁伤能力评估应用的角度阐述了冲击波、动能、热和电磁四种毁伤类型的研究现状,提出了不同毁伤类型在抗毁伤能力分析和评估中的应用方向;基于易损性分析空间理论,总结了装备易损性分析的发展历程,认为从物理空间到性能空间的逻辑传递关系是现阶段发射车易损性分析的核心所在,并从物理判据、性能判据和分级标准介绍了易损性判据的研究动态,提出了发射车易损性判据的关键;明确阐述了发射车抗毁伤能力的研究概念和分析方法面临的主要问题,研究结论可以为导弹发射车抗毁伤能力分析和评估相关研究提供参考。