U形电枢非稳态电磁场二维数值模拟

建立了电磁导轨炮U形电枢二维非稳态电磁扩散效应计算模型,运用有限差分P—R算法耦合计算电磁场与温度场,得到了导轨及U形电枢内部磁感强度和温度分布;并将计算结果与电枢固定静止的情形做了比较。数值计算结果显示了电枢运动引起明显的电流速度趋肤效应,电流趋向表面流动并在电枢尾部与轨道接触面上趋于集中;同时使电枢尾部欧姆热剧增导致出现高温烧蚀。计算结果为固体电枢在快速滑动中避免发生转捩并抑制烧蚀提供了理论依据。     

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。     

一种新的电磁轨道炮电感梯度计算方法

针对现有文献对速度趋肤效应影响下的电磁轨道炮电感梯度研究不足的问题,从毕奥-萨伐尔定律出发,提出一种新的电感梯度计算方法。指出文献给出的4种电感梯度计算方法的缺点与不足,将轨道中电流假设为均匀分布于轨道的内表面及上、下表面,采用文中方法与文献给出4种计算方法对电感梯度进行分析,并将其计算值与ANSYS仿真及实验得到的电感梯度值进行对比。结果表明:该方法与文献给出4种计算方法所得计算值的变化趋势较为一致,但方法得到的电感梯度值较为接近,具有形式简单、计算准确的优点。     

固体电枢非稳态电磁场和温度场的数值计算

根据麦克斯韦方程和热传导方程,建立电磁导轨炮固体电枢二维非稳态计算模型。运用有限差分P—R算法进行耦合求解,定量分析铜、铝块状、U形电枢内部磁感强度和温度分布。数值计算结果表明,在相同时刻,U形电枢比块状电枢的整体温升低,由于U形电枢的外形特点,在转角位置有局部高温出现;同时由于铜铝材料物理性质的差别,铜电枢比铝电枢发生熔融烧蚀的时间推迟。这说明与导轨具有良好接触的U形铜电枢是较好的选择。数值计算结果为固体电枢的结构设计和材料选择提供理论依据。     

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.     

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。     

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。     

电磁轨道炮锡合金镀层U形电枢仿真与试验

为解决电磁轨道炮电枢/轨道间干摩擦阶段摩擦力过大、发射效率低等问题,提出以锡合金作为电枢/轨道间液态导电涂层,对锡合金改善电磁轨道炮发射性能进行了理论分析与数值仿真计算。仿真结果表明:在电流欧姆热等作用下,锡合金能够比普通铝电枢表面更早熔化并形成液态导电涂层,有效减小电枢/轨道间摩擦力。在20 mm×20 mm方膛轨道炮上开展了普通U形铝电枢与锡合金镀层电枢发射对比试验,结果表明:对比5、20、35、50μm 4种厚度的镀层,以35μm厚镀层对电枢炮口速度提升效果最显著,约为22%;对比5、10、15 MA/m 3种线电流密度条件,其中对电枢速度提升贡献最大的是5 MA/m,最小的是15 MA/m;在典型发射条件下,锡合金镀层电枢较普通铝电枢炮口速度,提升幅度约为13%～22%.     

电磁轨道发射装置电磁场对洛伦兹力影响分析

为详细考察真实脉冲电源加载下,影响电磁发射装置性能各个因素的演化规律,对矩形截面铜导轨和C型铝电枢组成的电磁发射装置进行三维有限元模拟,得到发射装置在电容电源驱动下回路电流、电磁驱动力与电枢最大电流密度随时间的变化曲线,详细讨论该类型发射装置导轨和电枢几何参数变化对电流峰值、最大洛伦兹力、电枢最大电流密度及位置的影响规律。结果表明,减小导轨宽度和厚度能明显提高电枢驱动力,接触长度和头部倒角对驱动力和最大电流密度影响不明显。     

四轨电磁发射器电枢-轨道初始接触特性分析

为探究四轨电磁发射器电枢-轨道初始接触特性,采用有限元法对电枢和轨道的初始接触特性进行分析,选择电枢最大等效应力、接触系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数为接触特性性能指标,探究电枢臂长度、过盈量和电枢臂尾部厚度对接触特性性能指标的影响规律。结果表明：不同的结构参量对性能指标的影响不同,过盈量对等效应力影响较大,电枢臂长度增加导致接触系数降低,电枢臂尾部厚度主要影响相对接触压强系数。     

电磁轨道炮导轨和电枢中的焦耳热分析

考虑了脉冲波形的影响,采用简化模型计算了自行设计的一种小型电磁轨道炮在单次发射后金属导轨和电枢中的焦耳热.结果表明铜导轨的热损耗是81.5 kJ,大约占输入总能量的20%,该热量可以使铜导轨表面的温度升高至260℃,远低于铜的熔点1 083℃.铝合金电枢中的焦耳热是991 J,该热量可以使电枢表面的温度升至270℃,表明电枢在发射过程中温度不会达到熔点(620℃).电磁轨道炮单次发射时其导轨和电枢的温升不会造成导轨和电枢的熔化.     

电磁发射环境下屏蔽机箱内部磁场分布

为研究电磁发射系统中脉冲功率源模块屏蔽机箱内部磁场的分布,应用霍尔效应法对屏蔽机箱内部的磁场进行测试,测试得到屏蔽机箱内部7个点的三维磁场数据,通过分析处理数据得到屏蔽单元内部磁场分布规律:屏蔽机箱内部产生的磁场信号主要集中在X方向;对屏蔽机箱中各个点磁场进行比较,每个点Y方向的磁场比其对应的X和Z方向磁场大;在续流硅堆导通后,各个方向的磁场值都很快减小,Z轴磁场方向将改变.     

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。     

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。     

基于B探针的膛内电枢速度测量系统研究

弹丸速度和位移的测量是电磁炮重要的测试项目之一。针对以往分布式探针测速需要多路高速采集通道的问题,提出采用探针串联和波形叠加进行增强型电磁轨道炮膛内电枢速度测量的两种新方法。通过仿真给出采用驱动电流信号和拟合速度变化曲线计算增强型电磁轨道炮磁探针感应电压的方法;通过实验分别采用探针串联和波形合并两种新方法对膛内电枢速度进行测量,并与分布式测量方法进行比较。仿真和实验结果表明：仿真所得探针波形与实验测得的波形基本一致,提出的两种新方法与分布式测量方法相比只需要一路高速采集端口,具有成本低、可靠性高等特点,为轨道电磁炮膛内电枢速度的测量提供了一条新途径。弹丸速度和位移的测量是电磁炮重要的测试项目之一。针对以往分布式探针测速需要多路高速采集通道的问题,提出采用探针串联和波形叠加进行增强型电磁轨道炮膛内电枢速度测量的两种新方法。通过仿真给出采用驱动电流信号和拟合速度变化曲线计算增强型电磁轨道炮磁探针感应电压的方法;通过实验分别采用探针串联和波形合并两种新方法对膛内电枢速度进行测量,并与分布式测量方法进行比较。仿真和实验结果表明：仿真所得探针波形与实验测得的波形基本一致,提出的两种新方法与分布式测量方法相比只需要一路高速采集端口,具有成本低、可靠性高等特点,为轨道电磁炮膛内电枢速度的测量提供了一条新途径。     

脉冲电流对金属射流箍缩电磁力的计算及验证

为深入研究被动电磁装甲的防护机理,进行了脉冲电流作用下金属射流受到的箍缩电磁力作用研究。通过频域分析方法得到了脉冲电流在金属射流中的电流密度分布,并结合反趋肤效应现象研究了射流受到的等效表面电磁压强随半径以及电流密度分布的变化规律。通过数值分析表明:脉冲放电的下降沿出现反趋肤效应时,金属射流受到的等效表面电磁压强大于相同电流时出现趋肤效应时的值。通过被动电磁装甲试验验证了脉冲电流产生的箍缩电磁力的作用效果。在注入脉冲电流的情况下,射流在后效靶板上的穿孔直径明显比不加电情况大。上述研究进一步完善了被动电磁装甲对破甲弹的防护机理,对被动电磁装甲的应用具有一定的指导意义。     

基于多块结构重叠网格的电磁轨道发射器动态发射过程流场分析

为了研究电磁轨道发射器动态发射过程流场,采用多块结构重叠网格方法、六自由度运动模型和Java程序,建立了高超声速弹丸二维运动瞬态模型。以双椭球模型为研究对象,验证了所提出非定常计算方法和重叠网格数据交互可靠性。对电磁轨道发射器4种不同运动工况下弹丸动态发射过程流场进行了数值模拟。研究结果表明：电磁轨道发射器动态发射过程是含复杂激波系流场,涉及弹前激波、移动球心球形激波、冠状激波共同作用;弹前激波出膛口到弹体尾部出膛口过程中,弹体头部中点压力分布呈现“对称性”,阻力系数分布和弹体头部中点压力分布具有相关性,弹前激波出膛口后呈现先减小、后增大“弱对称性”,弹体尾部出膛口时达到峰值;弹丸在空气域运动时,近壁面压力监测点反射后峰值会超过初始监测点压力峰值,距离弹轴距离越远,反射周期越小,监测点峰值压力衰减越慢。     

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。     

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.