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。     

基于瞬态多物理场求解器的电磁轨道炮发射过程建模与仿真

为研究电磁轨道炮发射过程中瞬态多物理场的作用机制与内在规律,建立包含电路、电磁场、热场和结构场的数学模型。模型中计入材料非线性、结构变形、接触碰撞等实际因素。采用隐式有限元格式求解电磁场和热场以及显式有限元格式求解结构场,利用载荷传递和时间同步实现各物理场之间的耦合,发展出一种瞬态多物理场求解器。通过固体电枢型电磁轨道炮、同步感应式电磁线圈炮等算例,讨论了发射过程计算结果的合理性。结果表明,电磁炮的发射是多场耦合、多部件相互作用下的一个复杂动力学过程,存在电流和磁场扩散、温升、应力传播、接触碰撞等瞬态现象,发射性能与结构、材料和激励密切相关。该求解器可为电磁发射系统及其关键部件提供一种辅助设计手段。     

电磁轨道炮轨道形状对电流分布的影响

电磁轨道炮作为一种新概念动能武器系统,与传统火炮相比具有发射动能高、攻击距离远等优点.电磁轨道炮利用脉冲电流产生的强磁场与电流产生的洛伦磁力来产生推动力,而轨道表面的电流分布会对电磁轨道炮的寿命、性能等产生重要的影响.通过二维边界元方法,采用自编程序对比模拟了几种不同形状轨道的表面线电流分布,计算结果表明:通过倒角、采用椭圆弧面以及几何参数的适当选取等方法可以抑制电流密度聚集效应,增大轨道内侧表面电流密度幅值,优化轨道表面线电流分布,为轨道炮的实验设计提供了合理的参考方案.     

对称边界条件下轨道炮有限元／边界元仿真

基于deal．ii编写了电磁轨道炮有限元仿真程序,建立了拉格朗日运动坐标下电磁轨道炮的有限元仿真模型;通过使用有限元边界元耦合方法可以对电磁轨道炮的边界条件进行计算,而无需对轨道炮周边的空气划分网格,是一种处理电磁场边界问题的有效方法;但是,由于边界元方法,使用的是满秩矩阵,在三维情况下计算量大,利用轨道炮的对称性,使用对称边界条件,减少了参与计算的网格数目,从而减少计算量。     

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.     

超大炮口动能电磁轨道炮设计与仿真

论证了1门200 mm口径超大炮口动能电磁轨道炮用以进行高超声速发射,目标是将20 kg弹丸的初速提高到2 500 m/s,其炮口动能将超过62 MJ.通过多个不同算例的计算,综合考虑电枢受力、电流密度与峰值电流、电感梯度和技术风险等因素,最终选择了一种简单轨道炮结构.基于200 MJ电容器组储能式脉冲电源系统,建立了轨道炮系统仿真模型并进行了分析,设计的发射器身管长为8 m,铜轨道电感梯度约为0.4 μH/m,峰值电流约为7 MA,有效电流不低于6 MA,弹丸炮口初速可达到2 540 m/s,炮口动能达到64 MJ,系统效率为31.8％.     

轨道推进器瞬态电磁场有限元分析

利用ANSYS软件建立了块状电枢轨道推进器三维瞬态电磁场的有限元模型,计算得到了两轨道和电枢内的电流场分布.结果表明,在几毫秒内,电流趋向导体表面流动并在电枢尾部与轨道接触处集中,电流线聚集是引起轨道和电枢之间放电烧蚀的主要原因.同时根据有限元计算得到了推进器周围以空气为介质的磁场分布,结果显示,磁场主要集中分布在靠近电枢尾部一侧的两轨道间,并向后延续到约等于4倍口径的长度,电枢处是磁场激增区域.上述结论对电磁推进器的优化设计有重要参考意义.     

一种新型电磁轨道炮的设想

在考察国内外电磁轨道炮研究进展的基础上，分析了固体电枢的电热特性和固体电枢转捩为等离子体机理，结合现有国内研究情况，提出了一种能够利用固体电枢优势，而又能同时避免固体电枢烧蚀缺陷的多级电磁轨道炮的设计方案。     

电磁轨道炮轨道表面刨削产生分析

刨削是一种高速滑动过程中发生在接触界面的损伤现象.对电磁轨道炮超高速滑动电接触界面刨削形成的因素进行了探讨,对刨削产生的微观机械作用过程进行了详细的分析,得出刨削发生于一个高速高温高应变率的物理环境中;刨削过程的物理实质是电枢与轨道局部微凸体发生了绝热塑性剪切作用.最后归纳了目前抑制刨削的3种手段,为轨道炮系统结构的设计提供了参考.     

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.     

电枢运动状态下轨道炮膛内磁场仿真分析

通过对三维轨道炮模型进行有限元分析求得电枢所受电磁力,进而得到电枢运动速度和位移。以离散时间步长仿真得到不同时刻电枢位于不同位置时的考察点磁场强度。结果表明,膛内磁场变化同激励电流变化整体一致,但是磁场峰值时刻滞后于电流峰值时刻,在下降阶段磁场出现局部波动。磁场频率集中于低频段,整体呈下降趋势。     

引信感应耦合结构的电磁场有限元分析

利用ANSYS有限元软件的电磁场模块对引信感应装定耦合回路的磁场进行了分析,得出了电源频率、线圈匝数及铁芯的尺寸大小位置等对耦合回路磁场分布的影响。在保证满足引信体积大小的前提下,对耦合结构的磁场分布、磁感应强度、节点电流等进行了研究,为感应装定系统耦合结构的设计提供了理论依据。     

不同几何结构的C型电枢的有限元分析

根据麦克斯韦方程,对固体电枢电磁发射的过程进行了研究,对电枢在静态模型下的电磁发射进行了模拟。基于ANSYS建立了固体C型电枢电磁性能的有限元分析模型,对几种改进C型电枢进行了仿真计算,仿真结果显示了固体电枢内部磁感强度、电流密度和温度分布,并研究了电枢几何结构参数改变对电磁性能的影响。研究工作为改进电枢设计,减小电枢烧蚀提供了理论依据。     

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。     

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。     

电磁轨道炮二阶欠阻尼电路的模型构建与分析

采用了一种简单的等效电路模型,建立了电磁轨道炮的回路方程。利用拉普拉斯变换及反变换得出了储能电容器上的电压、放电回路电流和电枢反电动势的表达式,运用MATLAB软件分析了不同电感梯度下三者的变化规律。结果表明:电感梯度越大,电压波动越小,电流波动也越小,反电动势则越大。随着时间的增长,它们的波动频率先是比较显著,继而逐渐趋向于零。这对研究电磁炮电路问题提供了一定的理论依据。     

静止条件下轨道炮电流分布特征仿真

目前电磁轨道炮研究的主要问题之一是发生在轨道和电枢之间的放电烧蚀。造成烧蚀的主要原因是轨道和电枢中电流分布的不均匀性。针对静止条件下5种典型的轨道-电枢结构,采用Ansoft12有限元分析软件,对比仿真分析了电流密度分布,结果表明:跑道截面轨道-马鞍体结构电枢的轨道炮具有最均匀的电流密度分布现像;矩形截面轨道-长方体结构电枢的轨道炮具有最大的不均匀电流分布特征。上述结论对抑制放电烧蚀、改善刨削和延长轨道使用寿命等方面有重要参考意义。     

基于三维梁理论的电磁轨道炮复合身管抗弯性能分析

基于复合材料的三维厚壁梁理论,考虑梁的三维应变、挠曲等效应,建立了圆形电磁轨道炮身管纤维缠绕复合外壳的等效抗弯刚度计算模型。采用组合梁的等效抗弯刚度计算法,对纤维缠绕的轨道炮身管的整体抗弯刚度进行了分析,并与层合板理论法、有限元法做了对比。结果显示,3种计算方法在缠绕角度较大时,计算结果一致性较好。分析了纤维缠绕角度的变化、不同径向位置的碳纤维缠绕角度变化以及不同内膛绝缘材料对身管轴向抗弯刚度的影响。研究结果表明：身管的轴向抗弯刚度在缠绕角度较小时,随着缠绕角度的增大,呈明显的下降趋势,并且其受内层碳纤维的缠绕角度影响要比外层碳纤维的要大;高密度、高弹性模量的内膛绝缘材料并不一定就能提高身管的轴向抗弯刚度。     

增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析

为研究增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度特性,建立增强型电磁轨道发射器2 维仿真计算模型 进行仿真分析。采用有限元方法,在500 Hz、1 MA 正弦电流激励条件下,分析比较层叠增强型和平面增强型电磁 轨道发射器的电磁场和电感梯度。结果表明：与普通轨道发射器相比,增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度有 较大提升;增强型电磁轨道发射器轨道高度越低,磁场强度和电感梯度越大;增加辅助轨道层数能够提高增强型电 磁轨道发射器的磁场强度和电感梯度。