固体C型电枢几何结构优化设计

电枢是电磁轨道炮的关键部件之一,其几何结构直接影响轨道炮的发射性能。在电磁轨道炮发射过程中,由于电枢与轨道接触面上流过强大的电流,局部高温导致金属材料丧失强度与产生烧蚀。为此需要通过选择合理的电枢结构参数来抑制电流趋肤效应的影响,使流过导轨和电枢接触面的电流分布尽量均匀,达到改善轨道炮烧蚀的目的。基于ANSYS建立了固体C型电枢电磁性能的有限元分析模型,对三种典型的C型电枢进行了仿真计算,研究了几何参数对C型电枢电磁性能的影响,得出了最优化C型电枢的设计方案。本文的研究结论对固体C型电枢的研究与设计有重要参考意义。     

轨道电磁发射装置中电枢装配接触压力分布的不均匀特性

为对电磁发射矩形炮膛用一体化C形电枢结构进行优化设计,基于仿真计算研究了电枢装配接触压力分布不均匀特性。通过模拟电枢轨道的装配过程,利用ABAQUS有限元分析软件,计算了初始静态情况下不同结构电枢与轨道的接触压力分布。仿真验证了电枢装配接触压力的不均匀分布,同时根据压强分布云图,提出并定义了4个不均匀系数,分别表征接触压力横向、纵向、总体、局部分布的不均匀程度。这些不均匀系数的取值范围都介于0~1之间,其值越大,对应分布的不均匀程度就越小,即分布越均匀。基于进一步计算,获得了各不均匀系数随基本电枢结构参数的变化规律:各不均匀系数受电枢过盈量的影响较小,随电枢尾翼长度增加变小,随电枢肩部厚度增加变大;而随翼尖厚度变化呈现不同变化趋势。     

移动电磁载荷作用下曲面轨道/电枢动力特性

为进一步提高电磁轨道发射器性能,应用LS-DYNA建立电磁轨道发射有限元模型,研究了在C形电枢电磁轨道发射过程中电枢与轨道的接触问题。设计了3种曲率半径的内凹C形电枢与同一曲率半径的轨道,研究了各组合的动态力学响应。数值模拟结果显示:3种曲率半径的内凹C形电枢与轨道的接触力在0~0.1 ms期间快速上升;从0.1 ms到大约0.74 ms期间,接触力一直在振荡,且幅度趋于变小;在0.74 ms的时候,电枢达到临界速度,接触力发生较大的振荡;0.755 ms时均发生了明显的波动,到达局部极小值。3种电枢接触面压力分布大致相同;轨道挠度曲线非常相似,且在电枢运动过后等值线图几乎没区别。以接触压力的突然大幅波动为标志电枢达到临界速度,且此后电枢与轨道的接触变得不稳定。内凹型曲面电枢与轨道的曲率配合情况对电枢与轨道的动态结构响应影响不大。     

基于过盈配合的C形电枢轨道初始接触特性分析

电磁发射过程初期,C形电枢与轨道之间的恰当过盈配合,是电枢和轨道保持良好的金属-金属接触,同时提供充足的接触压力确保正常发射而不发生转捩的必要条件。为对电磁发射矩形炮膛用一体化C形电枢结构进行优化设计,基于电枢与轨道的过盈配合对电枢选取了各种不同的结构参数,利用有限元分析软件ABAQUS,进行了发射初期不同结构参数下的电枢与轨道之间的2维过盈装配仿真计算,获得了结构参数变化对C形电枢轨道初始接触特性的影响规律。选取较优的仿真结果,加工制造出相对应结构参数的C形电枢进行电磁轨道炮发射试验,试验表明电枢发射性能良好。针对同一结构电枢,进行2种不同方式的过盈装配仿真计算,发现紧固式装配与填塞式装配获得的初始接触特性极为相近,与实际发射试验相一致。     

增强型电磁轨道炮瞬态温升时空分布

轨道瞬态温升时空分布特性对于增强型电磁轨道炮发射效率具有极其重要的作用。该文从接触电阻瞬态特性、枢轨接触压力瞬态特性的角度,对轨道电阻焦耳热与摩擦热共同影响轨道瞬态时空温升的分布特性进行研究。通过发射试验得到的炮口电压、轨道电流、电枢位移等数据建立这几个物理量之间的数学模型,计算分析了增强型电磁轨道炮枢轨接触电阻瞬态特性,获得了轨道接触电阻焦耳热分布;应用瞬态接触压力计算方法模拟枢轨接触压力的瞬态特性,获得了轨道摩擦热分布。为研究轨道瞬态温升时空分布特性,通过电枢运动位移、速度与时间的关系,对轨道进行分段建立瞬态温度场计算模型并采用电-磁-热耦合的计算方法,得到了以电阻焦耳热与摩擦热为热载荷共同作用下的轨道温升时空分布特性。数值模拟结果表明:随着电枢高速运动,摩擦热随之逐渐上升,接触电阻热较小;发射过程中临近炮尾的轨道温升较大,表明了炮尾轨道为热管理的关键部位,为电磁轨道炮的热设计提供了理论依据。     

电枢初速对电磁轨道炮性能的影响

电枢预加速是改善轨道炮性能的重要途径,为了研究电枢预加速条件下电磁轨道炮特性,仿真分析了电枢初速对电磁轨道炮电流波形、电枢速度、炮口动能和系统效率的影响。建立了电磁轨道炮的电路模型和电枢动力学模型,并通过Simulink对电磁轨道炮电枢的发射过程进行了仿真计算。结果表明:在一定范围内提高电枢的初始速度能够改善电流波形、减小电枢速度增量、增大动能增量、提高系统效率;在同等轨道炮性能需求条件下,电枢预加速可降低对电磁轨道炮电气元件的性能要求。以上结果可为电磁轨道炮设计和优化提供参考。     

电磁轨道炮轨道电阻率和轨道高度对电流上升沿阶段电枢边沿熔蚀的影响

在固体电枢电磁轨道炮系统中,保持电枢轨道界面良好的电接触至关重要。在电流处于上升沿的发射起始阶段,往往可以观察到电枢材料熔化沉积集中在轨道的外侧,这表明该阶段电流在电枢边沿集中的特性。为此,利用ANSYS软件,在改变轨道电阻率和高度的条件下,对电枢电流密度的分布进行了数值仿真,仿真结果表明:1)电流集中在电枢尾翼边沿;2)通过提高轨道电阻率或者(同时)减小轨道高度可以减小电枢尾翼边沿的电流密度。在20 mm方口径轨道炮上进行了实验,研究了不同电阻率的轨道材料(如98%铜-1%锆-1%铬合金,黄铜和非磁性不锈钢)和不同轨道高度(50、30 mm)对电枢熔化的影响。实验结果表明,在电流上升沿,更高的轨道电阻率和更低的轨道高度时有相对较小的电枢边沿熔蚀。基于数值分析和实验结果,提出了电磁轨道炮起始阶段(电流上升沿阶段)减小电枢边沿熔蚀的轨道结构改进方案。     

电磁发射中枢轨接触电阻特性研究

在电磁轨道发射技术中,电枢和轨道的接触状态对发射系统的性能和寿命有重要影响。接触电阻是反映接触状态的一个重要指标。为此,建立了炮口电压的电路模型,设计不同充电电压条件下的发射试验,并测量炮口电压、轨道电流、电枢位移。根据电路模型计算出接触电阻和电枢体电阻。计算结果表明:初始阶段,电枢体电阻与接触电阻大小接近;在后半段,电枢体电阻远小于接触电阻。不同充电电压下发射试验的接触电阻曲线具有相同的变化趋势,接触电阻先随着电流的增加而减小,在电流处于平顶区时接触电阻先上升后下降,当电流下降时接触电阻急剧上升。分析讨论后认为,接触压力和温度是决定接触电阻的两个主要因素,而电流大小直接影响电磁压力和温度。     

电磁轨道炮——一个蓬勃发展的脉冲功率技术新领域

一、引言早在本世纪初就有人设想研制电磁轨道炮(E.M.Rail Gun),也叫做电磁发射器,企图用电磁能发射炮弹。但是长期以来限于固体金属电枢的概念和没有合适的电磁能源,迟迟没能取得突破。六十年代初期美国布拉斯特(Brast)和索莱(Sawle)首次利用等离子体     

电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析

增加或保障电枢与轨道具有较大接触面是电磁轨道炮设计与试验中的一个重要目标,但实际上接触面大小的作用仍有待探讨。为此,通过仿真计算分析了接触面上电流分布区域的位置与电流大小。结果表明:电流仅从小部分接触面穿过,在满足该接触面大小的情况下,接触面再增加或接触面大小对轨道电枢接触的电磁性能影响不大;同时,电流流过的区域大小与电枢和轨道的尺寸以及电流随时间的变化有关。对被分析的结构,在电流平顶阶段,接触面积为电枢侧面的20%(接触面长度约为8 mm,实际接触面大小约为240 mm2)已可认为足够大,接触面再加大最大电流密度已基本不变。因此,在固定尺寸的电磁轨道炮中,不必过分追求大电枢/轨道接触面,保证一个接触面大小满足电接触的电气性能即可。     

考虑初始接触压力的滑动电接触界面磁扩散模型

该文提出一种考虑初始接触压力的磁扩散模型分析电磁轨道发射装置中的磁感应强度、电流密度、焦耳热、电磁力分布、趋肤深度随时间的演变.该模型分析枢轨接触状态对接触面导电特性造成的差异,从而得到不规则电枢形状、驱动电流波形条件下的多场分布.计算结果表明,过盈量为1mm时,实际接触区域处于理论接触区域的中段,而电流初始聚集在实际...     

带导磁体的轨道式电磁发射电枢的电磁仿真

为了增强轨道式电磁发射电枢的获得的电磁力,将导磁体安装到电枢上以增强电枢获得的磁感应强度。利用相关电磁仿真软件的稳恒磁场求解器分析电枢及导磁体上磁感应强度分布,验证了导磁体的增强效果。利用其涡流场求解器,在发射系统加载50kHz交流电,分析发射初始时电枢上电流密度的分布情况。结果发现导磁体的存在对电流密度分布没有明显的影响。     

弧形轨道结构下电流分布特性的仿真研究

解决轨道烧蚀问题是电磁轨道发射技术走向实际应用的关键点之一,轨道和电枢中电流的分布均匀性是造成烧蚀的主要原因之一。本文试图通过增大轨道和电枢的接触面积以达到改善接触电流分布的目的,于是提出弧形轨道结构。在不考虑速度趋肤效应的条件下,利用有限元分析软件掌握了电流密度分布规律。结果表明:一弧和多弧轨道结构可以有效地改变轨道和电枢接触面上的电流密度分布,实际发射过程中加以利用可以更好地控制电流密度的分布,有效减少电枢尾部的烧蚀。     

小口径电磁轨道炮电枢电流熔蚀特性实验研究

为了掌握轨道电磁发射中电枢的电流熔蚀特性,对小口径电磁轨道发射装置进行了实验研究。实验装置为20 mm×20 mm,方形口径轨道电磁发射装置,通过控制发射实验中电枢出膛的速度,研究了电流幅值、电枢质量和转角厚度(载流能力)等因素对熔蚀的贡献。另外,基于电流幅值递增实验,总结了熔蚀程度的几种模型和相应的电流幅值范围。结果表明:不同的发射条件对电枢的熔蚀程度影响有所差异;电流分布是熔蚀产生的直接原因,能显著影响熔蚀程度;电枢质量对起始时刻的熔蚀有影响;电枢转角厚度对熔蚀的贡献不大(电枢载流能力足够的情况下);随着电流幅值的增加,电枢表面熔蚀有从电枢中端偏下位置沿棱边向电枢中部和电枢头部延伸的趋势,在此过程中归纳出了3种熔蚀程度及其对应电流范围:轻度熔蚀,对应电流181~293.8 k A;中度熔蚀,对应电流293.8~320.8 k A;极度熔蚀,电流320.8 k A。     

电磁发射中固体电枢的磁探针测速方法研究

为测量固体电枢运动速度应用电磁感应原理,分析了电磁发射中固体电枢所产生的磁场以及B-dot磁探针中的感应电动势,给出了根据磁探针的感应电压信号以及驱动电流信号计算固体电枢运动速度的迭代算法。在小电流、低速运动的模拟实验中,通过探针上感应电压信号的仿真计算结果和实验条件合理设计了探针的结构尺寸,结合实际应用中所遇到的问题加以改进。利用所设计的探针和改进的算法实测电枢的运动速度的结果与实际情况较为符合,该算法可以有效测得电枢的运动速度随时间的变化曲线。     

电磁发射系统C型固体电枢的电流密度分布特性及其机理分析

为得到C型固体电枢的电流密度、焦耳热分布特性,在假设电枢与轨道之间是不分离接触、理想全接触的前提下,基于数值仿真分析了C型电枢的电流密度和温度场分布特性及其产生机理,并进一步探讨了电枢结构尺寸变化对电流密度特性分布规律的影响及其影响机理。得出了集肤效应与邻近效应对电枢的特性分布有重要影响。     

电磁轨道炮中的电流线密度与膛压

为提供一个统一的参考标准,将不同口径电磁轨道炮的研究成果联系起来,借鉴传统火炮内弹道研究方法,通过描述电磁轨道炮发射过程微分方程组,以及电枢与轨道电磁力解析分析,分别从宏观层面和微观层面考察了电磁轨道炮的内弹道过程。结果表明,电磁轨道炮的电磁场、应力场和温度场不由电流大小或口径大小单独决定,而是有由它们的比值即电流线密度决定。电流线密度平方与轨道压力、弹底压力、轨道间磁压力、轨道温度成正比,电流线密度可以反映电磁轨道炮的内膛压力大小。提出以电流线密度作为电磁轨道炮的核心参数,且比照传统火炮内弹道学参数的命名,电流线密度可以看作是电磁轨道炮的"膛压"。对大、小口径电磁轨道炮发射过程模拟计算对比表明,以电流线密度作为表征量,可以有效联系起不同口径电磁轨道发射装置上相关参数的变化规律。     

电磁轨道发射装置仿真与试验

为了便于电磁轨道发射技术的研究,在对电磁轨道发射过程中的电磁和力学规律分析的基础上,建立了轨道发射的仿真模型。该模型可对发射过程中的电流、电压、速度等进行仿真计算,并通过实际发射实验结果对仿真模型进行了检验与校正。结果表明,该模型的仿真结果与轨道发射实验结果非常吻合,为电枢出膛速度、系统效率及其影响因素的进一步研究提供了有效工具。     

电磁轨道炮的电路建模及参数特性分析

利用非线性暂态电路仿真计算分析了电磁轨道炮系统的几个参数对系统性能的影响特性,包括脉冲功率电源的电容值及时序触发时间、调波电感及其电阻值、续流二极管和晶闸管电阻、轨道的电阻梯度和电感梯度参数等,系统性能指标为电枢加速时间和出口速度.在参数灵敏度分析的基础上,设计了一个电磁轨道炮系统.     

电磁轨道发射器结构刚度系数与刨削形成

在电磁发射过程中,当电枢的速度达到一定值时,轨道就会产生刨削缺陷。一旦轨道发生刨削缺陷,就会影响发射器的发射速度,严重时轨道被废弃。因此避免刨削的形成,有助于发射器寿命的提高。本文使用ANSYS软件对一种试验型小型方口径电磁轨道发射器进行仿真,进而得到了不同电流条件下发射器内膛的导轨变形和结构刚度系数分布,并对不同材料的轨道的刨削位置进行统计。本文发现,试验型电磁轨道发射器导轨结构刚度系数分布的不均匀性是诱导刨削形成的原因之一。