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。     

储能系统电感器两端并联RD电路性能研究

为解决混合储能系统IGCT关断过电压及其对器件本身和系统性能产生的恶劣影响,提出了一种在电感器两端并联RD吸收电路的结构。在分析RD吸收电路工作原理的基础上,仿真对比了IGCT关断过电压和蓄电池正极电位峰值的变化。结果表明:在电感器两端增加RD吸收电路后,可有效降低IGCT关断过电压和蓄电池正极电位峰值,增强系统的绝缘等级,保护开关器件。参数化分析和优化后发现,在合理选择RD电路参数后,吸收电阻的热损耗可控制在较低的比例。     

脉冲功率电源放电效果评价体系研究

为了对脉冲功率电源放电性能进行横向对比,以便有效提高脉冲功率电源放电性能,对脉冲功率电源放电评价体系进行研究,提出了基于SMART准则开展的脉冲功率电源放电评价体系设计。首先,从电磁发射应用需求出发,利用层次分析法分析影响脉冲功率电源放电的关键要素,建立了全面反映脉冲功率放电特性的综合评价指标体系;然后,采用德尔菲法建立放电统一标准的指标权重;最后,通过对每项指标设定评价判据,拟合得到每项指标的评分函数,从而形成能够用于不同电磁发射工况下的横向对比的脉冲功率电源放电评价体系。实验算例结果表明:该评价体系能够反映脉冲功率电源放电优化的发展水平;横向对比不同发射工况下的优劣,可以找到该工况下的薄弱环节,为脉冲功率电源在电磁发射应用下的优化提供参考。     

电磁发射超高速弹丸气动特性数值分析

采用数值计算方法研究了超高速弹丸的气动流场特性,重点分析了弹丸再入段的气动流场特性。利用风洞试验数据验证了S-A和k-ω SST湍流模型的预测精度,计算结果表明,在法向力预测上,两种湍流模型的预测精度较高,均在2%以内。在轴向力预测上,S-A湍流模型的预测精度较高,误差约为4.6%。当弹丸以大攻角再入时,弹丸横流效应较为明显,迎风面由于激波作用使得弹丸表面压力急剧增大,而背风面形成脱落的大尺度流向涡结构,导致压力减小,其中,迎风面的压力增大对弹丸气动系数影响更大。大攻角下的弹丸气动阻力和升力系数呈现明显的非线性,阻力系数明显增大,而且弹丸的静稳定裕度也急剧降低,使得弹丸的收敛特性变差,这是引起弹丸再入段速度衰减的主要原因。     

采用遗传算法的弹托迎风窝结构设计

针对一体化弹丸弹托易分离性和轻质化的设计要求，构建弹托迎风窝参数化外形模型，基于激波和膨胀波理论建立弹托气动力计算模型；以弹托分离加速度和弹托质量综合最优为目标函数，采用遗传算法对弹托迎风窝的外形参数进行优化设计，从而得到弹托迎风窝的优化外形。以中口径尾翼稳定脱壳穿甲弹的弹托设计为例，采用提出的优化设计模型对其迎风窝结构进行优化设计，并采用基于动网格技术的弹托分离仿真模型验证其最优性。仿真结果表明：所提优化模型能够得到最优的弹托迎风窝结构；针对现有的中口径尾翼稳定脱壳穿甲弹，可进一步对其弹托结构进行优化，以提高其分离快速性。     

轨道式电磁发射装置外加固层的力学分析

轨道式电磁发射装置工作时,通常利用外加固层平衡导轨间的电磁斥力保证内膛尺寸的稳定性,但制作外加固层时采用的纤维缠绕工艺复杂,导致其应力特征难以准确计算。为此,首先根据弹性力学相关理论,考虑缠绕过程中的松弛效应,推导了外加固层成型后残余环向应力、垂向预紧力及其相对应的轨道临界斥力的解析表达式;然后,在有限元软件中采用等效温度场法、逐层实化法并结合重启动技术,准确模拟了缠绕过程;最后,对比两种方法得到的外加固层内残余环向应力分布情况,证明了解析计算结果的正确性,并得到外加固层的厚度、缠绕张力对成型后内应力的影响,为纤维缠绕型轨道式电磁发射装置的快速设计提供参考。     

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。     

两型PFN脉冲功率电源放电特性研究

为对两种类型的多模块电容型脉冲功率电源放电特性进行研究,分析了放电过程中各主要功率器件的电气特性及电源对负载的放电效率,并针对I型PFN模块放电过程中反向电压不能释放的缺点,为脉冲功率电源设计了反向电压释放通道。仿真结果表明:二极管和晶闸管等器件的性能受电路拓扑及时序的共同影响,I型PFN对负载的放电效率比II型PFN更高,通过反向电压释放通道可将放电过程中产生的反向电压有效回收,以进一步提高放电效率。     

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。     

有限体积法在滑动电接触问题中的应用

为了对滑动电接触问题中枢轨接触面的物理现象进行深入分析,建立了二维导轨式电磁发射装置的数值计算模型。采用有限体积法的全隐格式对电磁扩散方程进行离散,得到了考虑速度趋肤效应时的磁感应强度及电流密度分布云图,并将计算结果与现有文献中采用有限差分法得到的结果进行对比。结果表明:两种方法所得到的磁感应强度与电流密度的分布趋势及数值基本一致,验证了所编写的有限体积法程序的正确性。