超高速滑动界面机械接触性能研究

电磁轨道炮发射弹丸过程中,电枢和轨道之间处于超高速滑动摩擦的接触状态,不同的接触参数对界面间的接触性能会产生显著的影响。建立枢轨间高速滑动摩擦的二维模型,利用有限元软件LS-DYNA对超高速滑动过程进行数值计算,分别研究不同枢轨材料、摩擦因数和滑动速度等参数下枢轨界面的接触性能变化。得出提高电枢滑动速度、提高轨道屈服应力、减小摩擦因数等能够有效减少轨道的损伤。     

电磁轨道炮热生成机理及温度场数值仿真

在电磁轨道炮的发射过程中将产生大量热量,这些热量引起的温度突变是导致材料失效的重要因素.为了获得U型电枢温度场的变化规律,基于轨道炮的工作原理分析了其热生成机理;并通过将理论计算和有限元仿真相结合的方法,研究了电枢的温度变化;最后根据发射后轨道表面的观测结果,对仿真进行了试验验证.结果表明:电枢的温升主要取决于电流的大小,而摩擦热对温升的影响较小;U型电枢中拐角部分的温升比较明显,而最高温度出现在电枢的两侧与轨道接触区域.该数值仿真为轨道炮的材料技术研究提供了参考和指导.     

固体电枢电热物理特性研究

采用电接触理论的近似模型具体对轨道炮中由两种不同材料铜和铝组成的U型电枢的电热物理特性进行了分析与计算,结果表明：铜电枢的电热特性要优于铝电枢,电枢转捩烧蚀是由于电枢表面的摩擦热和焦耳热的积累作用以致熔化和气化,最后失接触而形成的。所得结果与实验结果一致。     

内膛精度对轨道炮电枢发射过程影响分析

电磁轨道炮炮膛装配精度直接影响到发射过程中枢轨滑动电接触状态,为分析炮膛装配精度对电枢动态发射的影响,基于炮膛间距实测数值,提取炮膛间距典型变化形态,并建立典型形态下电枢内弹道发射动力学模型,理论分析了炮膛尺寸变化在发射过程中对电枢受力、振动等的影响,并通过真实工况下的动态发射试验和枢轨静态滑动接触试验对理论分析结论进行验证。研究结果表明,膛间距的随机变化可导致发射过程中电枢和轨道处于非对称接触状态,在膛间距变小时,枢轨接触区域会经历由小变大的过程,这一过程有利于增大枢轨接触区域,当膛间距增大时,枢轨接触区域逐渐减小,造成局部面积通过电流过大,当内膛装配精度误差超过0.2 mm以上时,由此引起的内膛间距波动可导致发射过程中电枢受力不均,同时对电枢产生横向附加振动,这是导致电枢膛内高速运动而解体的主要原因之一。通过分析炮膛装配精度对电枢发射过程的影响,研究结果可以有效指导枢轨匹配性设计,对促进电磁炮未来工程化应用意义显著。     

电磁轨道炮滑动电接触导电涂层应用研究

作为一种超高速新概念动能武器,电磁轨道炮的关键技术之一是电枢/轨道间的滑动电接触控制,由于发射初期滑动电接触属于固态/固态干摩擦状态,因而对系统发射效率和轨道寿命有着严重影响。分析了电磁轨道炮滑动电接触常用涂层材料的研究进展。从理论基础、制备工艺、电热特性、机械特性、化学特性等方面,对基于低熔点合金涂层的流体动压润滑技术应用于电磁轨道炮进行了初步探讨。对低熔点合金涂层用于电磁轨道炮发射初期改善滑动电接触特性进行了展望,并提出了几点建议。     

多匝串联并列轨道炮U形电枢接触界面熔蚀规律分析

针对一种多匝串联并列轨道炮U形电枢与轨道接触界面的熔蚀问题,通过电磁-结构-热多物理场耦合分析,对不同电流峰值、不同过盈量的膛内电枢速度、界面接触压力、界面温度等进行了数值仿真,并开展了相关验证试验,得到了接触界面熔蚀规律。仿真和试验结果表明：发射过程中电枢与轨道间的接触压力随电流波动而变化;接触压力越大,摩擦热功率越大,而接触电阻的焦耳热功率越小;合理设计电枢过盈量参数,可进一步改善滑动接触界面的环境温度;由于滑动过程中不可避免的磨损,电枢接触面熔蚀区域从初始接触区域逐渐向尾部转移,试验结果验证了仿真方法的有效性。     

载流电枢电磁线圈发射器运行特性分析

电枢是电磁线圈发射器能量转换的关键部分,以此为研究对象,提出串联载流电枢发射器和并联载流电枢发射器的结构模型,通过分析2种载流电枢发射器的工作原理和结构特点,得到了系统微分方程,并利用MATLAB建立了载流电枢发射器的系统仿真模型,分析了发射器的运行特性。分析结果表明,载流电枢发射器发射过程无拖拽效应,串联载流电枢发射器适于载荷在20 m/s以下的加速段使用,适于选用低压的电容器电源; 并联载流电枢发射器可用于载荷在50 m/s以上的加速段使用,适于选用高电压电容器。研究结果对电磁线圈发射器电枢结构设计具有一定的指导意义。     

基于炮尾电压的串联增强型电磁轨道炮滑动电接触特性分析

为研究局部增强型电磁轨道炮的滑动电接触特性,提出一种基于炮尾电压的计算分析方法。通过构建接触电阻、炮尾电压、炮尾感应电压以及轨道电流间的数学模型,定量表征电枢与轨道间的滑动接触电阻。根据接触电阻的波形特征,将电枢与轨道间的接触状态分为启动阶段、接触电阻稳步下降阶段、电阻增长阶段和单轨阶段4个阶段。计算了系统的发射效率与接触电阻焦耳热能耗率。结果表明：在电枢启动阶段枢轨间的接触主要为固体-固体接触,接触电阻偏大;逐渐形成的铝熔膜会使实际接触面积增大,改善接触状态;接触电阻与电枢所受到的磁压力呈负相关;接触电阻是影响发射效率的重要因素之一。由此可见对局部增强型电磁轨道炮滑动电接触特性的分析工作为轨道炮的机理研究与设计起到了积极作用。     

石墨烯涂层对电磁轨道炮滑动电接触性能的影响

石墨烯具有优良的力学、电学、热学性能,对提高电磁轨道炮滑动电接触性能具有较大的应用潜力。通过理论分析和仿真研究,对石墨烯涂层应用在枢轨界面进行了分析;通过设计对比试验,在相同的条件下,对普通U形电枢和石墨烯涂层U形电枢进行了发射试验。结果表明:石墨烯涂层有利于改善枢轨界面间的电接触状态,具有良好的通流能力;石墨烯涂层对提高电枢速度、减少界面间热量的产生表现出了积极的作用,且具有抗电弧烧蚀和润滑的作用。该研究结果为改进电磁轨道炮滑动电接触特性提供了参考和指导。     

基于接触特性的四轨电磁发射器电枢结构分析

为深入探究四轨电磁发射器双曲电枢结构对接触特性的影响,本文利用有限元分析方法,分别从电枢过盈量、电枢臂末端厚度、电枢喉部厚度等关键结构参数入手,对通电接触特性进行多物理场耦合仿真。针对过盈量的设计,提出一种迭代仿真方法,通过循环仿真对接触压力进行求解,使其与期望接触压力进行比较,从而达到不断逼近最优过盈量的目的; 针对电枢臂末端和电枢喉部的研究,充分考虑摩擦力、洛伦兹力以及初始过盈等因素,采用电磁-结构场耦合仿真方法对通电接触特性进行求解。结果表明:电枢喉部主要用于承受大电流以及强磁场所带来的应力; 电枢臂末端主要用于传导大电流,而电枢头部对通电接触特性影响较小。在一定范围内增大电枢臂末端厚度可改善电接触性能,但电枢臂外扩现象加剧,进而加重枢轨间的磨损和烧蚀; 在一定范围内增大电枢喉部厚度不仅可以改善枢轨间的电接触性能,同时使电枢结构更加稳定。     

卡簧约束对多片离合器温度场的影响分析

为分析卡簧约束对多片离合器接触应力分布的影响,运用Abaqus仿真软件建立了多片离合器三维有限元模型。通过数值模拟,得到了多片离合器摩擦表面的接触应力分布规律和多片离合器的温度场分布。仿真和试验结果表明：卡簧约束导致了摩擦副接触应力沿径向分布不均匀,越靠近卡簧,摩擦元件的外径接触应力越大,径向应力差异越大;越远离卡簧,径向应力分布差异趋于平缓,并逐渐接近活塞压力;卡簧轴向约束导致了摩擦元件的径向温差加大,外径温升快,内径温升慢,并且轴向不同位置摩擦元件的温度场分布不一致,近卡簧侧的摩擦元件更易发生热翘曲;离合器低速长时滑摩试验验证了该温度场模型的正确性,所建模型能够切实有效地反映离合器的实际温升特性。     

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。     

C形一体电枢的结构设计及接触压力分析

轨道起始段良好的电接触性能是确保轨道炮正常发射的必要条件。为增强起始段枢轨电接触性能,从枢轨接触面和接触压力两方面对C形一体电枢结构进行优化设计。利用高频涡流仿真方法计算分析接触面对电枢电磁特性的影响,获得电枢电流密度以及电磁受力曲线,通过对比分析获得最优枢轨接触面大小与位置。为避免电枢在起始运动中出现接触失效问题,对传统接触压力设计方法“安克法则（1 g/1 A）”进行修正优化,形成“安克法则”瞬态应用方法,有效地模拟接触压力瞬态变化特性。应用该方法计算不同接触面的枢轨接触压力,获得的接触压力曲线均在某临界直线如“1 g/1 A”曲线之上,结果表明枢轨接触良好。基于“安克法则”瞬态应用方法设计的电枢在最优接触面下进行5发试验,实现了较好的起始段电接触性能。以上结论可供未来电枢设计时参考。     

增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性研究

为研究增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性,通过实际发射试验得到炮口电压、轨道电流、电枢速度和位移等数据以及发射器机械结构的实际参数。在分析电枢在膛内运动过程的基础上,建立了接触电阻与炮口电压、轨道电流、电枢速度、电枢位移等物理量之间的数学模型。进一步分析了在互感系数不同情况下电枢的接触电阻变化规律。将该变化曲线与试验轨道三维建模模型损伤图形和实际发射试验后轨道图像进行比较,发现轨道烧蚀和摩擦损伤情况随着电枢位移和接触电阻变化呈现烧损、滑动和磨损等典型特征,为预测轨道损伤提供了参考依据。     

激光织构对干摩擦性能的影响及机理研究

采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打标机进行表面织构化处理,形成具有规则排列的圆形微坑阵列。通过环-块线接触摩擦磨损试验,研究了不同面密度的激光表面织构对干摩擦磨损性能的影响,采用探针轮廓仪和扫描电镜对试件的表面形貌进行了分析。建立了摩擦副的简化接触有限元模型,模拟摩擦副的滑动摩擦过程,从应力的角度分析表面织构对干摩擦性能的影响机理。试验结果表明：激光表面织构化对试件表面硬度影响显著;当激光织构面密度小于20%时,构成摩擦副的两试件的磨损量都小于无织构情况;当织构面密度大于20%时,与无织构情况相比,织构化试件的磨损仍降低,但对偶件的磨损反而增大。仿真结果表明：对织构化试件的对偶件来说,在一定的织构面密度范围内,在平均应力无大幅提高的前提下,织构凹坑的存在,缓解了接触区应力集中现象,从而有利于降低磨损。采用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打标机进行表面织构化处理,形成具有规则排列的圆形微坑阵列。通过环-块线接触摩擦磨损试验,研究了不同面密度的激光表面织构对干摩擦磨损性能的影响,采用探针轮廓仪和扫描电镜对试件的表面形貌进行了分析。建立了摩擦副的简化接触有限元模型,模拟摩擦副的滑动摩擦过程,从应力的角度分析表面织构对干摩擦性能的影响机理。试验结果表明：激光表面织构化对试件表面硬度影响显著;当激光织构面密度小于20%时,构成摩擦副的两试件的磨损量都小于无织构情况;当织构面密度大于20%时,与无织构情况相比,织构化试件的磨损仍降低,但对偶件的磨损反而增大。仿真结果表明：对织构化试件的对偶件来说,在一定的织构面密度范围内,在平均应力无大幅提高的前提下,织构凹坑的存在,缓解了接触区应力集中现象,从而有利于降低磨损。     

基于电接触特性的电枢臂形状优化设计

电枢与轨道之间的接触特性直接影响电磁轨道发射器工作过程中电枢与轨道接触面上的接触压力分布和电枢与轨道上的电流分布,进而影响发射器的焦耳热分布,从而影响电磁轨道发射器的性能和寿命。为了改善发射器电枢与轨道之间的接触特性,对非过盈配合状态下电枢膛内运动过程进行了仿真,得到了电枢的运动特性和接触压力随时间变化情况。选取电枢膛内运动过程中与轨道之间接触状态最严峻的典型时刻,基于Cooper-Mikic-Yovanovich电接触理论和“1 g/A”经验法则分析枢轨间接触压力,设计了期望电接触特性,并针对典型时刻的接触状态基于反向加载法设计了电枢的过盈尺寸和形态。对装配过盈电枢和非过盈电枢的发射器进行仿真研究,比较其在典型时刻的性能。结果表明,采用改进的电枢结构可以使电枢与轨道接触面上的电导率分布更加均匀,改善了电枢与轨道的接触状态,缓解了电枢区域电流分布集中现象和焦耳热集中现象,进而延长发射装置寿命。     

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。     

电磁发射条件下CuCrZr合金材料轨道损伤行为研究

通过电磁发射试验研究CuCrZr合金（C18150铜合金）材料的轨道损伤行为。试验以C18150铜合金作为轨道材料,7075铝合金作为电枢材料。对完成发射试验后的轨道材料进行宏观观察和二维表面轮廓、三维表面轮廓测量及分析。研究结果表明：随电枢速度的增加,轨道表面横向起伏的峰谷间距呈先增加、后降低的趋势;沿电枢运动方向,轨道表面起伏程度随着电枢速度增加呈下降趋势,当电枢速度达到极值处于匀速运动后,轨道表面起伏近乎为0 μm;轨道损伤在不同阶段呈现不规则现象,起始阶段时轨道损伤表现出明显热损伤,加速阶段时表现出强烈的摩擦磨损特征和一定的热熔效应,高速阶段时轨道损伤以机械磨损为主,表现出光滑的摩擦界面和局部的塑性变形。