爆磁压缩发生器电枢膨胀角对磁通损失的影响

爆磁压缩发生器（MCG）在脉冲功率技术中有广泛的用途．针对爆磁压缩发生器在运行过程中由于线圈和电枢的击穿从而造成磁通损失的故障．分析了螺旋形爆磁压缩发生器（HMCG）的电枢膨胀角,并就电枢膨胀角对爆磁压缩发生器由于提前击穿引起的磁通损失进行了分析,从而优化爆磁压缩发生器的设计．     

电磁轨道炮固体电枢的运动特性分析

为深入研究电枢在激励电流作用下的运动特性,基于电磁驱动理论分析的基础上,通过构建系统有限元模型,借助Matlab数值分析软件及Ansys,LS-Dyna有限元分析软件分别对固体电枢进行动态仿真分析,得出电枢的加速度和速度曲线。此外,针对电枢结构进行了优化,计算结果表明随着电枢内侧曲率半径的减小,电枢的炮口速度有所增加。研究结果为进一步提高电枢发射效能提供参考。     

超声速燃气射流流场特性的三维数值模拟

针对固体火箭发动机燃气射流特性,建立了高温高压燃气射流的三维计算模型,采用大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的欠膨胀超声速射流流场进行了数值模拟。计算结果表明,超声速燃气射流与周围大气剧烈掺混过程中形成了重复出现拟周期的膨胀压缩波结构。在射流中心轴线上,静压、速度等参数在出喷口后出现了较大的波动,随着离喷口距离的增加,波动幅度逐渐减小至平稳变化。射流速度沿径向开始在核心区基本不变,到剪切层后衰减梯度较大。随着喷管尺寸的增加,射流在轴向和径向的扰动区域都增大。     

爆炸冲击作用下金属圆柱壳体膨胀破碎过程研究

为了研究爆轰冲击作用下金属圆柱壳体动态膨胀及变形断裂过程,以40Cr Mn Si B钢壳体材料为研究对象,在理论分析的基础上建立了炸药与壳体相互作用过程分析模型,获得了爆轰作用过程中金属壳体外表面径向位移以及速度变化规律;应用超高速摄影技术获得了壳体在高应变率下动态变形过程。结果表明:膨胀半径达到初始外半径的1.47~1.70倍时,壳体内部裂纹贯穿整个壁厚并发生断裂;壳体膨胀速度在距起爆端60%~70%壳体轴向长度处达到最大,此处膨胀速度比起爆端附近提高了18.3%。     

电磁轨道发射器数值模拟与速度测量

为研究电磁轨道发射器电磁场、温度场特性并且预测发射器性能,建立电磁轨道发射器计算模型,针对矩形电枢普通发射器、C形电枢普通发射器和增强型发射器,采用有限元方法进行求解得到电磁场、温度场和电枢运动过程,并讨论了电枢快速运动产生的速度趋肤效应和发射器结构对磁通密度、电流密度、温度和出口速度的影响。使用增强型电磁轨道发射器进行发射试验,利用高速相机测量电枢出口速度,与数值模拟结果进行对比,验证了计算模型的准确性。     

同步感应线圈炮电枢特性分析

基于电枢工作机理,讨论了电枢材料、结构等对同步感应线圈炮性能的影响。利用Maxwell仿真软件,建立了实体电枢和绕制电枢的有限元仿真模型,对其电磁场特性进行了仿真分析。同实体电枢相比,绕制电枢上的感应电流分布均匀,尾部温升低,但是结构复杂。基于实体电枢和绕制电枢的各自特点和仿真结果,提出了一种新型电枢——混合材料电枢。探讨了混合材料电枢的结构,建立了混合材料电枢的有限元仿真模型并进行瞬态场和涡流场仿真。理论分析和仿真结果表明,混合材料电枢的结构较绕制电枢简单,感应电流的分布优于实体电枢,为电枢工程实践应用提供了参考。     

爆炸驱动金属管膨胀理论计算

描述了对爆炸驱动金属管膨胀的理论计算并通过实验对其进行了验证.利用力学模型和经验公式计算不同材料和尺寸的金属管的爆轰参数膨胀角、破裂半径和爆速.采用高速分幅相机测试技术,得到了金属管膨胀运动过程的分幅照片,掌握了金属管的膨胀及破裂情况,由此测得了膨胀角,并使用电探针测量了炸药爆速.通过与实验金属管的膨胀数据对比,为理论计算可靠性提供重要依据.     

电磁轨道炮电磁力学分析

在矩形电枢与简单轨道的基础上建立了电磁轨道炮轨道和电枢上磁场扩散的二维有限元计算模型,模型没有考虑轨道与电枢的形变.分析了电枢运动引起的速度趋肤效应,随着轨道与电枢相对速率的增加,磁场、电流的趋肤效应越明显,当速度大于1 000 m·s-1时,磁场和电流集中分布在轨道内表面与电枢后表面附近很小的区域,继续增大相对速率不会使磁场分布发生明显变化.采用ANSYS软件计算了静态复杂电枢结构情形下轨道电枢上的磁场和电流分布,U形电枢结构对于抑制电枢与轨道交界处磁场、电流的过分集中有明显的改善作用.     

基于药料膨胀和流动均匀性的单孔药模具设计

为分析模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性的影响规律,基于正交优化方法,采用POLYFLOW软件对单孔硝基胍发射药的挤出成型过程进行了模拟仿真。分析了入口线速度恒定条件下模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性影响程度的主次关系,在此基础上优化了单孔发射药挤出模具结构。研究结果显示:对药料成型膨胀影响最大的因素为模具收缩角,其次为成型段长度,再次为压缩段长度; 对出口速度分布均匀性影响最大的因素为模具收缩角,其次为压缩段长度,再次为成型段长度。基于最小膨胀率和最小出口速度极差对模具结构参数进行了优化,结果表明,优化后的药料出口速度均匀性得到提高。     

内置冲击反应材料弹丸壳体侵彻损伤效应研究

基于冲击波理论、带侵蚀模型的空腔膨胀理论及圆柱壳体动力学模型建立了内置冲击反应材料弹体结构侵彻靶板过程模型和过靶后的壳体变形模型。通过Matlab编程得到反应材料段壳体变形的时间历程,并分析了冲击速度和锥角对弹头速度、加速度、侵蚀质量、等效锥角及侵透靶时壳体变形量的影响。研究成果为内置冲击反应材料弹丸侵彻靶板时的结构变形损伤研究提供理论分析方法,并为反应材料损伤和冲击反应条件研究提供了基础支撑和参考依据。     

动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分析

针对动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分布特性研究缺乏的问题,提出一种数值计算方法。基于磁扩散方程和安培定律,利用测得的动态实验数据和炮尾处磁通密度值,通过有限元计算,确定电枢区域和导轨区域的电流密度值;进一步计算得到电枢前端及后端中轴线各考察点磁场和电场分布特性。结果表明：随着与电枢距离的增加,各考察点峰值磁通密度逐渐减小,电枢前端各点衰减速度远大于后端各点;炮口时刻各考察点峰值电场值为膛内发射过程的数倍。提出的方法能够有效计算轨道炮智能炮弹部位感应电场和磁场,计算结果有助于智能炮弹电磁屏蔽设计。     

基于离散元法分析增韧陶瓷圆环的动态膨胀碎裂

为研究高强度高脆性陶瓷的冲击拉伸断（碎）裂问题,开展了材料动态膨胀碎裂数值模拟研究。基于离散元方法,应用平节理接触模型分析高应变率下增韧陶瓷圆环的自由膨胀运动,获得了圆环膨胀碎裂过程中颗粒运动速度和系统能量的变化规律。结果表明：圆环断裂之前,以中层颗粒为基准,内层颗粒的径向速度呈现出增大的跳动,外层颗粒的径向速度显示出减小的跳动,这种跳动与陶瓷圆环的刚性有关,与初始加载速度无关;圆环断裂时刻,圆环内产生卸载波,同时伴随着应变能释放,导致圆环内层颗粒出现径向速度减小的跳动,外层颗粒径向速度则出现速度增大的跳动,这种速度跳跃现象将有助于实验中确定圆环的初始脆性断裂时刻;陶瓷圆环碎片的平均尺寸随应变率增加而减小,与文献［17-18］理论模型结果吻合较好。     

电磁轨道炮军事应用综述

从电炮实用电源、电枢与烧蚀、复杂轨道设计、与线圈炮对比、磁场增强措施、应用要求和军事使用效果等角度分析了当前电磁轨道炮的技术特征。结论为：活塞式螺旋绕组磁通压缩发电机（MFCG）适合作轨道炮电源，该电磁轨道炮在采用固态电枢、无烧蚀高效率、高射速、超高速发射小质量射弹方面有无可比拟的优势。通过对比分析了高空小质量弹丸与地面大质量射弹的弹道学特征，提出了轨道炮可能优先应用于高空飞机平台上用于自卫、防空、近程反导的电磁发射动能武器，它具有响应快、作战半径大、高精度、抗电磁干扰等优势，对未来作战效果和作战模式有广泛影响。     

电磁轨道炮瞬态磁场测量与数值模拟

为研究电磁轨道炮的磁场特性,建立三维瞬态电磁场计算模型,采用时域有限元/边界元耦合方法进行求解,获得了电枢的膛内运动过程,以及电流密度和磁通密度的时空分布,讨论电枢与轨道间的滑动电接触在电流扩散过程中产生的速度趋肤效应。在发射实验中,用B探针测量电枢运动及磁场,分析了发射过程中的瞬态磁场变化特点,与数值模拟结果进行对比,验证了电磁轨道炮三维瞬态电磁场计算模型的有效性。     

螺线型爆磁压缩发生器工程计算

根据发生器的等效电路模型,建立了单级爆磁压缩发生器运行时的电路方程;建立了接触磁通损失模型并推导了磁通损失等效电阻计算公式。根据电路方程和发生器电阻、电感和磁通损失等效电阻的计算公式编制了一个计算程序,利用该程序对文献介绍的某分段变螺距的圆柱型爆磁压缩发生器进行了计算,结果表明,该计算程序能很好地预测发生器的性能并验证接触磁通损失模型的可行性。     

弹载爆磁压缩发生器动态电感的计算

动态电感在弹载爆磁压缩发生器的设计计算中具有举足轻重的地位。为了解决动态电感的计算问题,将镜像电流模型运用到了某弹载爆磁压缩发生器的电路参数计算中,并进行了详细的推导,编写了一个弹载爆磁压缩发生器动态电感的数值计算程序。代入设计数据计算后,获得了电感变化曲线,分析得出了发生器运行过程中电感变化的阶段性特点,为下步优化设计及试验提供了依据。     

考虑电枢与导轨实际接触状态的电磁轨道炮膛内磁场分析

针对电枢与导轨(简称枢轨)实际接触条件下电磁轨道炮膛内磁场研究缺乏的问题,从小口径C型电枢轨道炮出发,根据静止状态下枢轨实际接触产生的电枢电流密度分布,利用数值计算和有限元仿真对电枢前端中轴线上各考察点磁通密度进行分析,结果与试验值基本吻合。在此基础上,利用模化方法,对电枢运动条件下轨道炮膛内磁场分布特性进行了分析,结果表明：在满足一定相似关系的基础上,可以实现不同口径轨道炮电枢速度和膛内磁场的近似模化;各考察点峰值磁通密度随着与电枢距离的增加而迅速衰减,距离电枢曲率圆心2倍口径考察点的磁通密度仅为1倍口径点的27.4%左右;研究结果有助于智能弹药的电磁屏蔽设计。     

紧凑型爆磁换能电脉冲源设计及实验

针对爆磁压缩发生器用种子电源,设计了一种紧凑型爆磁换能电脉冲源。通过建立磁体爆磁换能的磁电转化模型,研究了爆磁换能电脉冲源的工作机理和作用过程。对紧凑型爆磁换能脉冲源中开路磁体的静磁场进行了解析计算和数值模拟,得出了磁体截面磁通量的计算方法,为脉冲源的设计提供了理论参考。对不同磁体材料和起爆方式的脉冲源进行了实验研究,得到了脉冲源的输出感应电动势、输出电流及负载电压曲线。结果表明：N35爆磁换能电脉冲源（双端起爆）在1.2 μH的电感负载上输出了1 100 A的脉冲电流;采用高性能磁体材料可在负载上获得更高的输出电流及能量参数;单端起爆能量转化效率η_t≮14.6%,双端起爆能量转化效率η_t≮24.4%;爆磁换能电脉冲源仅适合于驱动较低阻抗的负载,作为螺线管型爆磁压缩发生器的种子电流时选择间接馈电方式更加合理。     

电磁发射磁探针阵列位置分布及姿态优化

为更加精确地得到电磁发射系统内弹道中电枢在任意时刻的速度,提出一种磁探针阵列位置分布及安装姿态的计算方法。采用道格拉斯-普克算法确定磁探针阵列的位置分布,建立磁探针感应电压与磁探针安装位置、轨道电流、电枢速度及位移等物理量的数学模型,分析磁探针阵列安装方式、安装高度和安装深度对磁探针测量精度的影响。计算结果表明：磁探针阵列测量电枢出口速度的理论相对误差在2‰以内;内弹道电枢速度曲线的出口速度理论相对误差在5‰以内。对磁探针阵列安装位置及安装姿态进行试验验证,优化后的磁探针阵列具有更高的测量精度,电枢出口速度为700~800 m/s时,磁探针测量平均相对误差为2.25%.     

圆柱形预制破片爆炸驱动仿真研究

为获得更精确的预制破片初速计算模型及破片变形与内衬层破裂半径对初速的影响规律,进行一种圆柱形预制破片爆炸驱动仿真研究。通过分析预制破片战斗部的爆炸驱动过程,建立考虑内衬层破裂半径及破片变形量的预制破片理论初速计算模型,利用非线性动力学分析软件AUTODYN,采用Johnson-Cook本构模型和流固耦合算法,对圆柱形预制破片的爆炸驱动进行了仿真研究。仿真结果表明：随着内衬层厚度的增加,内衬层破裂半径增大,圆柱形预制破片的变形量减少。钢制破片及修正后的钨合金破片的理论初速与仿真结果吻合较好,验证了计算模型的正确性。该研究结果对预制破片战斗部的设计具有一定的参考意义。