电磁轨道发射系统后坐力研究及反后坐装置设计

电磁轨道发射系统运行时,受到了极其复杂的载荷作用,包括电磁力、电枢及弹丸的摩擦与切削热和高温梯度等产生的应力等,这些力随着电枢发射等量地作用于发射系统基座上。针对大能量电磁轨道发射试验系统的后坐力现象,建立发射系统后坐力研究模型,运用ANSYS软件仿真计算了各部件的受力状况,得出发射系统后坐力构成及状态,在此基础上建立基于阻尼液孔缩效应耗能和摩擦耗能原理的驻退复进反后坐力计算模型。根据试验要求展开计算,得到设定条件下的电磁轨道发射试验系统反后坐力装置的结构及具体参数,并据此开展研制,实现了新型阻尼反后坐装置,并应用于大能量电磁轨道发射试验系统。     

尾推式固体电枢的应力评估方法研究

电枢作为电磁轨道炮用弹丸核心部件之一,对其进行设计与改进一直在电磁轨道炮工程化研制中占据重要位置,其中应力评估是其设计的关键环节。基于电枢的负载要求和膛内不同时刻的工作状态,形成了电枢载荷及约束的加载方法,对所加载的载荷进行了参数化处理;依据轨道炮发射原理及发射试验结果对关键参数进行分析,根据分析结果对膛内工况进行了进一步假设及细化,建立了基于有限元方法的尾推式固体电枢应力评估方法;并以某型尾推式电枢为例进行了电枢应力的示范性计算。     

四轨电磁发射器不同构型枢轨静力学分析

为更好地评估四轨电磁发射器的发射性能和使用寿命,研究了平面型轨道-平面型电枢、凸面型轨道-凹面型电枢、凹面型轨道-凸面型电枢3种不同构型电枢和轨道的受力和变形.构建了四轨电磁发射器的物理模型,在此基础上推导了电枢和轨道的受力和变形理论计算公式.采用有限元方法,分析了电枢和轨道所受的电磁力和变形.仿真结果表明,不同构型的...     

电磁轨道发射状态下的复合导轨动态响应研究

电磁炮导轨中通入电流后,电枢受到电磁力作用沿轨道移动,由于导轨受到安培力和电枢压力的作用,会引起轨道内表面的磨损、刨削现象,限制了电磁轨道炮的使用寿命。而铜基复合轨道可以同时具备有良好的导电性能、耐烧蚀能力以及较高的强度,在大功率多次发射的电磁轨道炮中具有较好的应用前景。将复合导轨简化为弹性地基梁,并对其受力特点进行力学分析,应用二维Fourier积分变换,得到复合导轨在移动荷载作用下动态挠度的一般解,进而得到电磁轨道发射状态下复合导轨的动态响应。分析了复合轨道的几何尺寸、通入电压等参量对复合导轨动态响应的影响。计算结果表明：电枢压力对轨道变形的影响远大于轨道间斥力的影响;合理的复合层厚度占比可以改善轨道的动态性能。     

单级线圈发射器中电枢的受力分析

为提高发射效率,对单级线圈发射器中大质量电枢的受力情况进行分析。基于大质量电枢在线圈中的运 动规律,利用仿真软件建立单级线圈发射模型,对不同质量电枢的运动特性和电枢以不同初速度进入线圈的受力情 况进行仿真并总结其规律,并将弹射线圈使用与否2 种情况下的效率进行对比。结果表明：在放电回路参数相同的 条件下,电枢质量增加,电磁力反向时间推迟;电枢进入线圈的初速度增加,电磁力反向时间提前。加设弹射线圈 的模型能提高发射效率。     

电磁轨道发射状态下轨道的横向变形与内力分析

针对电磁轨道发射状态下轨道的横向变形的问题,根据电磁场原理,求出了电磁发射轨道相互作用的斥力和电枢在通电状态下给轨道的作用力,将轨道简化为弹性地基染,求出了轨道在电磁力作用下挠度的通解,并进一步求出了电磁发射轨道发射状态下轨道横向变形解。根据求解结果分析了不同弹性地基刚度系数对变形的影响。     

不同结构形状电枢在电磁轨道发射状态下的应力分析

电磁轨道炮工作时,轨道通入电流,在轨道间形成磁场并在电枢上产生强大的推动力,使电枢沿轨道加速运动.通过应用电流元简化模型的方法,计算电枢上的磁场分布,进而计算电枢所受的电磁力.在此基础上利用数值分析方法分析了3种不同形状电枢的电磁轨道发射过程,研究了电枢的形状、结构尺寸对电枢的应力状态的影响,给出变化规律.研究结果可为电枢设计提供依据.     

复合型电磁轨道的多物理场耦合分析

电磁轨道炮在发射时,轨道和电枢均处在强电磁场中,电枢和轨道局部处在高温和高压力作用下,且各物理场间相互耦合作用。分析轨道在耦合场作用下的温度分布和应力分布是十分重要的。在分析了电磁轨道炮发射状态下的电磁场、温度场和机械场的多物理场条件的基础上,给出了相应的控制方程,建立了铜基复合型轨道在发射状态下的电磁、热、机的耦合场的三维计算模型,计算了发射状态下复合轨道的电流密度分布、温度场和应力场,分析了轨道基层、轨道复合层以及电枢温度分布的特征,讨论了影响轨道内侧表面应力分布的因素。     

电磁轨道炮身管设计的预紧机理分析

电磁轨道炮发射时导轨在电磁斥力作用下向外侧扩张,这种扩张作用直接影响着导轨与固体电枢接触性能。身管结构设计需要对电磁斥力引起的导轨分离量进行限制。利用材料弹性理论对某预紧型电磁轨道身管在预紧力与导轨斥力综合作用下的结构形变进行了理论分析,提出了预估载荷、预紧系数、载荷系数和结构参数等概念,导出了基于导轨分离量和以上参数间的预紧机理数学解析公式,进行了ANSYS仿真。计算结果表明,预紧技术作为一项重要工程技术可以大幅提高身管径向刚度,减小电磁斥力作用下的导轨分离量。预紧机理的数学解析有助于在身管设计和制造阶段更好地理解和控制导轨分离量。     

四轨电磁发射器轨道构型对电流分布的影响

四轨电磁发射器的电流分布特性与其发射性能密切相关,较大的电流密度会导致枢轨的热烧蚀、磨损和转捩,严重制约发射器的使用寿命.为更好解决四轨电磁发射器电枢和轨道的热烧蚀问题,建立了3种不同构型的轨道和电枢,用有限元法对轨道和电枢的电流密度分布及电磁力进行比较分析,探讨枢轨凹凸值对电流分布和电磁力的影响.结果表明:凹椭圆型轨道提供较大电磁推力且枢轨接触面的电流密度分布最均匀,局部热损伤不明显;平面轨道提供的电磁推力较小,电流密度较大;凸椭圆型轨道电磁推力一般且枢轨接触面处电流分布不均;轨道电流密度大小与凹凸值负相关;而凹凸值对电磁推力的影响随枢轨构型不同而不同.     

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。     

电磁轨道炮电枢馈电位置研究

轨道炮电枢依靠馈入的脉冲大电流来产生电磁力以驱动弹丸运动。选择合适的电枢馈电位置,有利于减小电枢的启动延迟,也能够减少身管长度的冗余设计。研究了电枢馈电位置的选择对电枢启动时电磁推力的影响,理论推导分析并结合有限元/边界元数值模拟的结果表明:改变电枢的馈电位置,随着接入电路的轨道长度的增加,电枢所受电磁推力逐渐趋于饱和;对于方膛口径轨道炮,在4倍口径位置处馈电可使电枢获得99%的推力,而当轨道间距增加后,则需要在距炮尾更远处馈电方可获得绝大部分推力。分析了炮尾汇流装置对电枢馈电位置的影响,得到纵向汇流方式比横向汇流方式更有利于缩短电枢距炮尾的馈电距离。     

抑制放电烧蚀的轨道发射器结构设计及有限元模拟

影响轨道发射器进一步发展的主要技术障碍之一是电枢和轨道之间的放电烧蚀。文中从简单轨道发射器的结构组成和烧蚀形成机理入手,分析了引起简单轨道发射器烧蚀的原因,提出了通过改变轨道发射器的结构来抑制导轨烧蚀的方法,设计了一种多层轨道电枢结构的轨道发射器方案,并对其进行了ANSYS有限元模拟。模拟结果显示该方案能够较好的解决电磁轨道发射过程的烧蚀问题。     

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。     

电磁轨道炮电枢的运动特性研究

为了快速有效地实现电磁轨道炮的反导,对其固体电枢电磁阻力与空气阻力角度等运动进行研究。在基于麦克斯韦理论的基础上,分析了电枢在炮管内的力学特性。通过理论仿真计算分别对电枢的电磁阻力及空气阻力进行了分析,比较了截面及摩擦因素对出口动能的影响,得到了最优方案,并提出了改进电枢发射的措施。研究结果表明：低速段摩擦力大于空气阻力,而高速段空气阻力对发射影响较大。     

串联增强型电磁轨道炮螺栓预紧封装性能分析

为了研究螺栓连接预紧方式的串联增强型轨道炮的身管封装性能,从电磁场的角度出发,计算了电磁轨道炮发射时导轨中的电磁力,进而得到了身管应力、应变和位移量。建立三维串联增强型电磁轨道炮离散预紧身管模型,计算了在一种斜坡电流激励条件下导轨的应力、应变和位移量的变化规律,以及身管封装部件应力、应变及位移的变化规律。从计算结果看出,在螺栓预紧条件下,导轨及身管处于一定初始位移及应力、应变下,随着电流的逐渐增大和作用时间增大,各参量也逐渐增大,且呈现明显的波动状,导轨的位移在螺栓位置有明显的下降趋势。身管部件的最大位移量远小于导轨的位移量,保证了与导轨的接触,也在一定程度上控制了导轨的最大位移量,对身管的封装性能有积极的作用。     

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。     

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。