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。     

磁探针位置及角度偏移对电磁发射过程测试的影响

简化电磁发射装置中的导轨和电枢为线电流下的直导体,建立发射装置的物理模型。利用毕奥-萨伐尔定律和感应电动势原理,推导出磁探针线圈中心放置点的磁感强度。假设线圈范围内的磁场为均匀磁场,计算得到磁探针线圈产生的电动势。以此设计测量所用的磁探针,并和测试数据对比验证模型的正确性。在多次试验中发现,发射过程中装置振动导致磁探针距离变化和角度偏转问题。测量并分析三组单次发射中的故障测试状态。仿真和实验数据表明:小范围距离变化没有使磁探针的测试性能失效,但角度偏移对下一步的速度拟合带来误差干扰,且随着角度增大拟合速度逐步减小。     

一种获取电磁发射出口速度的测量方法研究

为了更加准确地测量电枢出口速度,采用测量出口电压的方式增加电枢速度拟合的末端约束,弥补仅基于磁探针阵列获取电枢的位移时间点的不足。首先,推导了磁探针在电磁发射过程中的感应电势,分析了加载电流和电枢速度对磁探针测量位移误差的影响,提出了速度逐步迭代的方式减少测量误差;然后,测量并处理了三次实验数据,实验与仿真数据的对比结果表明:增加约束和迭代算法提高了测量的准确度。     

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。     

螺旋形爆炸磁压缩发生器

为了得到高电压的输出,从爆炸磁通量压缩发生器的工作原理入手,在单端起爆装置的基础上,设计了一种两端起爆的螺旋形爆磁发生器,并给出了实验结果和分析。     

活塞式磁通压缩发电机电枢涡流的有限元分析

为了研究活塞式磁通压缩发电机（P-MFCG）电枢内部涡流及周围的磁场分布，在Maxwell方程组的基础上，对电枢附近区域的磁场模型进行理论推导，得出电枢附近区域涡流场的控制方程。采用Ansoft有限元分析软件对应用于P-MFCG的柱状电枢上感应涡流、磁感应强度以及电枢所受电磁力的分布进行仿真分析，其结果对电枢的优化设计有重要参考意义。     

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。     

最小期望接触面积下的电枢臂弯曲形状优化研究

电枢结构直接影响电枢轨道间接触压力和接触面积等接触特性,进而决定电磁发射状况。为此,通过对不同接触面积下的电磁发射装置进行瞬态电磁场分析,得到了C形固体电枢与轨道间的最小期望接触面积。在假设电枢臂为悬臂梁的条件下,综合趋肤效应和接触电阻的接触层模型,确立了分布力载荷。在此基础上,基于分布力载荷作用下电枢臂变形的挠曲线,得到了电枢臂弯曲形状与枢轨界面间接触压力及接触面积的关系。该研究为电枢的结构设计提供了理论依据。     

多孔材料药型罩聚能射流的形成条件

依据Herrmann状态方程和斜冲击波关系估算了多孔材料药型罩压垮之前的冲击温升,求解了经过冲击压缩卸载后材料的声速。给出了多孔材料药型罩聚能射流的形成条件。初始冲击温升会使材料的声速和强度降低,从而使多孔材料聚能射流形成射流的高速和低速条件降低。     

燃气轮机工质的热物性计算及分析

采用燃气轮机工质热物性计算中最常用的三种方法:变比热法(方法 A)、基于实验数据的方法(方法B)、基于实际气体状态方程的方法(方法 C),以NIST物理化学性质部门公开数据库的查询结果作为比较标准,考虑工质为空气或燃气时,通过对比其计算误差分析得到最适合燃气轮机工质的热物性计算方法。结果表明:无论低压高压,当温度大于300℃时,方法 B的空气计算结果与标准值有4kJ/kg左右的固定偏差,该偏差在计算压缩过程焓增时会抵消,因此方法 B对于计算压缩功非常准确;无论工质是空气还是燃气,方法 A和方法C的误差都较大,方法 B更适合用于描述燃气轮机中的压缩与膨胀过程。     

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.     

金属/高聚物夹层阻尼板的阻尼特性及其应用

本文在制备出金属／高聚物夹层阻尼板的基础上,分析了影响夹层阻尼板损耗因子的一些因素,结果表明,温度和阻尼层厚度等对阻尼板损耗因子有较大的影响;另外在直流接触器中,将衔铁进行了阻尼处理,并讨论了衔铁吸合时的振动特性     

电磁轨道发射装置动态电感梯度分析

推导了导轨间磁场均匀分布和非均匀分布两种情况下电感梯度数学计算模型。引入了速度频率来模拟电枢发射过程速度趋肤效应,对导轨二维模型以及三维电磁场模型进行时谐仿真,并将获得的单位长度电感以及电感梯度,分别用于电气仿真系统中电感和电枢推力的计算。电气仿真和试验结果表明,电流和出口速度误差均在2%以内,证明了动态电感梯度分析及参数提取方法的正确性和准确性。     

Analysis of sliding electric contact characteristics in augmented railgun based on the combination of contact resistance and sliding friction coefficient

The contact resistance between the armature and rails is an important indicator of the contact characteristics in electromagnetic launches. As the contact resistance depends not only on the contact state but also on the contact stress and temperature, there are some limitations in analyzing the contact characteristics using only the contact resistance. In this paper, the contact characteristics of the augmented railgun are analyzed by the combination of contact resistance and sliding friction coefficient. Firstly, the theoretical calculation model of the contact resistance and friction coefficient of the augmented electromagnetic railgun is established. Then the contact resistance and friction coefficient are calculated by the measured values of the muzzle voltage, rail current and armature displacement. Finally, the contact characteristics are analyzed according to the features of the waveforms of the contact resistance and the friction coefficient, and the analysis conclusions are verified by experimental rail images. The results showed that: the aluminum melt film gradually formed on the contact surface reduces the contact resistance and the friction coefficient; the wear and erosion of the armature cause deterioration of the contact state; after the transition, the reliability of the sliding contact between the armature and rails decreases, resulting in an increase in contact resistance.     

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。     

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。     

瓦斯爆炸波自激励效应的实验研究

基于爆炸波的发展机理在气体爆炸防护技术研究中的重要性,通过实验对密闭通道中瓦斯爆炸波的传播特征及规律进行了研究。结果表明,瓦斯爆炸传播过程中,压力波对火焰波既有促进作用又有抑制作用,不同阶段的主导作用不同;而火焰波对压力波也会产生影响,不但会加强压力波的超压和振幅,而且会使压力波上升段压缩、下降段拉伸,最终可能发展为爆震波,对巷道内的建筑、设备造成极大的破坏。