同步感应电磁线圈炮电枢的结构分析

电枢是同步感应电磁线圈炮中的一个关键部件,电枢的强度指标是衡量同步感应电磁线圈炮性能的重要标志。文中介绍了同步感应电磁线圈炮的工作原理,建立了单级同步感应电磁线圈炮的机电模型,在峰值电流载荷为17kA的情况下,对电枢的结构进行了有限元分析,得出了电枢在不同时刻的电磁力分布规律以及最大的应力分布和电枢的最大变形。结果表明:电枢所承受的电磁力和结构变形在电枢的后端部最大,最大应力值位于电枢后端部内侧,故在设计电枢时其后端部应采取加固措施以提高电枢的结构强度。     

单级同步感应线圈炮场-路耦合分析与参数优化

为了准确地确定驱动线圈中的响应电流,建立了单级同步感应线圈炮二维场-路耦合的数学模型,利用APDL编制了基于场-路耦合数学模型的仿真程序。利用该程序对美国桑迪亚国家实验室公布的同步感应线圈炮模型进行了仿真并与SLINGSHOT仿真结果进行了比较;进行了单级同步感应线圈炮发射实验,测量了放电回路中的响应电流并与仿真结果进行了比较,比较结果均验证了仿真程序的合理性。基于场-路耦合程序建立了单级同步感应线圈炮回路参数的优化数学模型,对放电回路参数进行了优化,根据优化结果进行了发射实验并测量了电枢速度,优化后系统的发射效率1.14%提高到2.02%。     

单级同步感应线圈炮电枢的磁场-温度场有限元分析

为了研究电枢在同步感应线圈炮发射过程中的温度分布规律以及影响电枢温度分布的因素,依据瞬态涡流场和计算传热学的相关理论建立单级同步感应线圈炮电枢磁场-温度场耦合分析的数学模型,利用APDL建立了电枢和驱动线圈的有限元模型,将线圈炮发射过程中电枢中感应的焦耳热损耗作为体积热源,通过顺序耦合的方法实现电枢的磁场一温度场有限元...     

同步感应线圈炮内磁场及涡流场的有限元分析

为了研究感应线圈炮内磁场及涡流场的分布,根据单级实心电枢同步感应线圈炮的结构模型,基于矢量磁位和标量电位相结合的方法建立了其导体区域涡流场的数学模型。对套箍和炮管非导体区域、气隙区域分别采用矢量磁位、标量磁位来描述磁场。在电枢区域涡流场的控制方程中,考虑了电枢运动效应和位移电流效应的影响;在驱动线圈区域涡流场的控制方程中,考虑了位移电流效应的影响。采用Ansoft有限元分析软件对单级实心电枢同步感应线圈炮内的涡流场分布情况进行了仿真研究。仿真结果表明:单级实心电枢同步感应线圈炮内的磁场在电枢尾部发生明显畸变,电枢内的涡流主要分布在电枢的外表面和尾部,其方向与驱动电流的方向相反。这些工作体现了单级实心电枢同步感应线圈炮实际工作过程中磁场、涡流场以及能量损耗的分布规律,为感应线圈炮的优化设计提供了参考依据。     

单级感应线圈炮工作过程的动态仿真

为了更好地对多级同步感应线圈炮进行设计和试验研究,为储能脉冲电容器驱动的单级感应线圈炮建立了描述其动态工作过程的数学模型(包括电路方程和电枢运动方程),并利用Ansoft有限元分析软件和2-D瞬态求解器进行了仿真研究。这种方法可以避免驱动线圈自感、电枢自感以及驱动线圈与电枢之间互感等参数计算的难题。仿真结果给出了驱动电流波形、电枢受到的电磁力、位移以及速度等参数随时间变化的波形。这对于预测单级感应线圈炮的加速性能具有十分重要的意义。仿真结果表明:感应线圈炮的主要加速作用发生在驱动电流的第1个半周期内(主要加速时间小于半周期),驱动电流有时对电枢起制动作用,制动作用范围与感应线圈炮的初始工作状况有关。研究结果表明:该仿真方法可用于对单级感应线圈炮的最佳初始位置进行优化,也可用于多级同步感应线圈炮工作过程的动态仿真。     

感应线圈炮电枢的磁-结构耦合分析

电枢是感应线圈炮的关键部件,其在工作过程中易发生破坏。为了设计高强度的电枢,以保证感应线圈炮实验研究的顺利进行,建立了电枢磁-结构耦合过程的数学模型;用有限元仿真程序建立了感应线圈炮的仿真模型,并对所建模型进行了仿真,得到了电枢的涡流、电磁力、变形及应力分布规律;分析了电枢后端部壁厚变化对电枢应力的影响规律。结果表明:电枢的涡流密度、所受电磁力和结构变形在电枢的后端部最大,最大应力值位于电枢后端部内侧,并且随着电枢壁厚的增加,电枢的最大应力值逐渐减小,故在设计电枢时其后端部应采取加固措施以提高电枢的强度。     

基于正交试验法的同步感应线圈发射器关键设计参数选择

能量转换效率是限制同步感应线圈发射器(synchronous induction coil launcher,SICL)发展的关键因素。为了提高效率,在线圈发射器设计过程中必须对电源参数、驱动线圈的结构参数,以及电枢触发位置等多个因素进行综合考虑。基于正交试验法对同步感应线圈发射器关键设计参数的选择进行研究,采用场路耦合方法对一个3级同步感应线圈发射器的参数设计及能量转换效率进行了分析。计算结果表明,在该设计方法下,导线直径和线圈内径是影响电磁线圈发射器设计的两大关键因素,在发射器设计中应结合实际情况予以重点考虑;线圈匝数和触发位置、以及线圈长度对系统的影响表现并不明显。     

多级同步感应线圈炮的动态特性仿真

电磁发射过程中,动态特性源于电磁场变化、温度场变化以及应力变化等,它们同电枢的触发位置、初速度、结构等参数密切相关。为提高多级同步感应线圈炮的性能,基于Maxwell 2D仿真环境,建立了同步感应线圈炮的二维有限元模型,对影响其性能的触发位置、初速度,特别是它们之间的配合问题进行了极为重要的动态仿真分析。仿真及分析结果表明:对于多级同步感应线圈炮,初速度不同,电枢有不同的最佳触发位置,它们之间的有效配合对提高多级同步感应线圈炮的性能有重要影响;而多级同步感应线圈炮级数有限制,并非越多越好。     

三级电磁线圈垂直发射器工作过程仿真

根据同步感应线圈发射器工作原理,建立了3级电磁线圈垂直发射器(electromagnetic coil vertical launcher,EMCVL)数学模型,利用Ansoft电磁仿真软件对其发射过程进行了仿真,得到了电磁场分布规律和动态特性曲线。结果表明:EMCVL低速发射大载荷过程中加速过程比较平稳,容易充分实现各级驱动线圈对发射组件的加速效果;发射过程中电磁场主要集中于驱动线圈和电枢外侧间隙,再逐渐向四周扩散,电枢所受的电磁力位置主要位于电枢尾部外侧,所以在实际设计中一定要考虑对电枢尾部结构的加固;EMCVL通过适当的改变电源储能参数、驱动线圈级数等途径,能够实现多类型载荷的发射。     

考虑电枢速度的多级感应线圈炮最佳触发位置

针对多级感应线圈炮中,电枢的速度会影响驱动线圈的最佳触发位置,分析影响电枢受力的变量的特点,给出了电磁力的曲线.基于冲量定理,分析电枢的速度增量与电磁力及其作用时间之间的关系,得出最佳触发位置会随着电枢速度增加而不断提前的结论.为验证理论分析结果,建立感应线圈炮的仿真模型,对不同电枢初始速度下的驱动线圈最佳触发位置进行了仿真.仿真结果和分析完全一致,而且当电枢速度较高时最佳触发位置甚至会提前到电枢处于制动力的位置.通过仿真得到电枢初始速度与驱动线圈最佳触发位置之间的关系曲线,并据此给出多级感应线圈炮的触发控制策略.