计算焦耳温升作用的电磁轨道发射中电枢尾翼转角处受力分析

在电磁轨道发射中电枢尾翼转角处的受力过程是焦耳温升作用下的动态过程,受多种因素影响,易发生断裂失效,进而影响电枢和电磁轨道发射系统性能。为此,在构建电枢静止、加速和减速运动状态下尾翼转角处受力理论模型的基础上,结合电枢材料电阻率和比热容随焦耳温升的变化,对电枢尾翼转角处的受力情况进行了仿真计算,然后通过电磁轨道发射试验进行了验证。计算结果显示:电流峰值为600 kA时,考虑电阻率和比热容变化时温升的计算结果比不考虑时的结果高171.23 K;当电流峰值达620～640 kA,但未达到电枢材料6061铝合金的“载流特征量”时,电枢尾翼转角处就会发生拉伸断裂失效。观测发射试验后回收电枢的形貌,电枢尾翼上存在符合拉伸断裂特征的收缩断裂缝,初步验证了理论计算分析结果,为后续电枢设计优化提供了依据。     

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...     

滑动电接触界面粗糙度对电枢熔化特性的影响

电磁发射过程中电枢表面熔化会改变枢轨接触状态,一旦接触状态被破坏则容易出现转捩,因此有必要对电枢表面的熔化特性进行分析。考虑枢轨接触面的粗糙度,列出了枢轨接触界面间金属液化层的Reynolds方程,并耦合温度场、应力场及电磁场,建立了热弹性磁流体动力学模型,在此基础上分析了粗糙度量级及分布形态对枢轨接触面间电枢表面熔化速度与金属液化层厚度的影响。结果表明,在设定参数下的动态发射过程中,枢轨接触面粗糙度量级越大,电枢表面的熔化速度越大,最小液化层厚度也越大;相比于粗糙的分布形态,粗糙度量级对电枢表面的熔化速度和金属液化层厚度的影响更大。分析结果对于改善枢轨接触状态,避免转捩情况的发生具有重要意义。     

单级感应线圈发射装置动态特性仿真及实验验证

为提高单级感应线圈发射装置发射性能,建立了单级感应线圈发射装置的等效数学模型;分析了电枢受力的影响因素。结果表明,电枢受力大小取决于驱动线圈和电枢的电流大小及它们之间的互感梯度。通过电磁场有限元计算的方法,瞬态仿真分析了电容器参数及触发位置对单级感应线圈发射装置出口速度的影响。得出了驱动线圈电流、加速电枢电磁力及电枢速度的变化规律,并进行了实验验证,仿真结果与测量值吻合较好。     

循环流化床锅炉水冷壁管高温磨损的不等时距灰色预测

针对循环流化床(CFB)锅炉水冷壁的磨损特点,引入灰色预测理论,采用在原始数据累加和累减过程中对时距进行权重处理的方法,建立了基于磨损量实测数据的水冷壁管磨损的不等时距灰色GM(1,1)预测模型.通过对预测值与实测值比较,验证了模型的精度与可行性.该模型不必考虑复杂的磨损影响因素,需要的原始数据少,可在小样本情况下做出较准确预测,计算方便.预测结果可为CFB锅炉水冷壁管的状态检修提供依据和指导.     

多极矩电磁推进器级间耦合特性分析

本文从等效电路出发,根据其构型和驱动方式,分析多极矩电磁推进器驱动线圈之间和电枢与线圈间的耦合特性,利用有限元仿真软件进行仿真,并首次搭建了模型进行小电流实验。研究结果表明:其推进过程中,包括级间驱动线圈以及电枢产生的耦合作用,两者都在后级驱动线圈中产生与前级驱动线圈方向相反的电流。电枢耦合主要由自身运动产生。相比级间电流相同的情况,级间电流方向反向时,后级驱动线圈放电电流更大,电枢表面的涡流强度也明显增大,更有利于系统效率的提高。     

电磁发射用一体化C形电枢的结构设计

为对电磁发射用一体电枢结构进行合理的设计,选取C形一体电枢的部分结构参数作为研究目标,通过对电枢进行建模仿真,对一体电枢的结构参数变化对其电流密度分布、与轨道接触面上的接触压强分布进行了计算,并通过对比获得了部分结构参数变化对电流密度和接触压强分布的影响规律。电枢的两翼厚度和头部厚度对通过电枢的电流密度和电枢上产生焦耳热分布的最大值区域有明显影响,而长度增加对这些特性分布的幅值和位置影响不大。30mm尾翼长的模型中,接触压强较大的主要范围为其后半部分,与实验结果比较一致。设计制作了不同结构的铝合金电枢,进行发射实验,并测量通过电枢的发射电流、观测发射后的电枢轨道接触面状况。发射实验结果显示,加长电枢两翼长度,可以一定程度的扩大电枢-轨道良好接触区域的面积,头部厚度7mm的铝电枢在20mm口径的发射装置中可以满足通流250kA以上不至于产生物理破坏。通过对计算和实验结果的分析比较,提出进一步工作展开的方向应为将数值计算和实验现象建立直观的联系。     

多因素作用下的C形固体电枢优化设计方法

针对传统方法在电枢设计中的局限性,以电枢发射过程中应力、温度及质量为优化目标对象,提出了一种将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化设计方法。采用拉丁超立方试验的设计方法,在设计空间抽取样本点,建立了由喉部厚度、臂长、尾翼厚度及尾翼倾角等4个参数所决定的初始二阶响应面模型,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对响应面模型进行优化,求得Pareto最优解集,并根据最小距离选择法得到了最优妥协解。仿真结果表明,发射过程中电枢的应力、温度及质量不会同时达到最小,但选取的最优妥协解可使得上述3个指标中的其中1个在另外2个指标均不变差的前提下不会取得更小值,实现了电枢的优化设计,且该方法具有较高的准确性和可行性,为电枢结构的改进提供了有效的途径。     

电磁轨道发射的瞬态温度效应

为了更加合理有效地设计轨道冷却系统,对轨道温度进行了实验测量及仿真计算。搭建电磁发射实验及轨道温度测量系统,利用热电偶对电磁发射过程进行轨道温度的实际测量,在线获得轨道瞬态温度。在此基础上,基于Comsol Multiphysics平台,利用有限元方法,建立轨道横截面二维模型,对发射中轨道温升这一瞬态过程进行仿真计算,在电磁场与温度场耦合的情况下,求解轨道横截面的电流与温度分布。结果显示:轨道尾部的温度高于出口处,电枢起始位置附近温升最高;轨道温度在焦耳热的作用下逐渐升高,高温集中在轨道内表面。根据实验和仿真的温度分布结果,可以更加合理地设计轨道冷却系统。     

同步感应电磁推进系统中电枢制造材料的选择

对同步感应电磁推进系统进行了理论分析并建立了单级系统的电路模型,直接建立了电枢制造材料的基本物理参数与电枢感应涡流之间的联系.通过有限元仿真软件模拟比较了不同材质的电枢对电枢受力及电枢加速速度的影响,计算了不同材质电枢对整体系统能量转化效率的影响.结果表明:电枢制造材料的选择将影响电枢的受力方式、整体系统的能量转化率及有效加速载荷的质量,铝制材料在几种电枢制造材料中表现最优.以上分析可为同步感应型电磁推进系统的电枢设计提供参考.     

多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性

多级电磁感应线圈炮在发射过程中,前面各级驱动线圈放电产生的磁场和电枢自身感应电流产生的磁场都会耦合进入下一级驱动线圈,对驱动线圈的加速性能产生影响。基于多级感应线圈炮等效电路模型,建立了带有续流二极管的多级感应线圈炮数学模型,得到了其推力方程和运动方程。基于电磁感应定律,分析了2种耦合因素作用时下一级驱动线圈中感应电动势和感应电流的变化。基于场路耦合,对多级感应线圈炮进行了仿真,得到了不同情况下的耦合特性。研究结果表明:多级线圈发射中存在耦合效应;根据耦合磁通的不同,后面各级驱动线圈上会产生正向或反向串联的电动势;正向串联电动势有利于线圈炮的加速。     

考虑电枢反应时直流他励电动机的模拟及其瞬变响应

建立了考虑电枢反应以及电枢与励磁磁通间的互感时直流他励电动机的模型。考虑了励磁绕组的磁饱和问题,也讨论了电枢反应在瞬变响应中的影响,提出了确定模型中各参数的方法。通过对计算值与实测值的比较,证实了用该模型模拟电动机特性是正确的.     

电磁轨道发射装置仿真与试验

为了便于电磁轨道发射技术的研究,在对电磁轨道发射过程中的电磁和力学规律分析的基础上,建立了轨道发射的仿真模型。该模型可对发射过程中的电流、电压、速度等进行仿真计算,并通过实际发射实验结果对仿真模型进行了检验与校正。结果表明,该模型的仿真结果与轨道发射实验结果非常吻合,为电枢出膛速度、系统效率及其影响因素的进一步研究提供了有效工具。     

驱动线圈结构参数对电枢力学性能的影响

为了研究驱动线圈的结构参数对电枢受力的影响,根据电路—电磁耦合理论,采用ANSYS有限元分析软件建立了三维线圈炮的模型并分析了驱动线圈各个参数对电枢性能的影响。仿真结果表明:当驱动线圈横截面宽度减小了,长度增加,匝数增加时,电枢推力增加,但增幅不是很大,只有层数增加,电枢推力变化较大。但从加工角度考虑,故选择横截面参数0.5 mm×10 mm,匝数25匝,层数11层。为进一步设计线圈炮提供了依据。     

感应线圈炮的电枢受力分析

基于电磁感应定律讨论感应线圈炮的工作原理后建立了等效电路模型。用McKinney法详细分析电枢受力并进行有限元仿真分析的结果表明:电枢轴、径向受力不均匀,尾部的径向压力较大,易使电枢变形;电枢初始位置对抛体出口速度影响较大,故实用中应增强电枢强度、合理选择电枢的初始位置。     

永磁直流电动机气隙磁场的解析计算

换向性能计算因气隙磁场的复杂性而成为永磁直流电动机设计计算的难点之一。本文考虑电刷偏移的影响, 建立了空载磁场和电枢反应磁场的计算模型, 导出了电枢表面气隙磁场的解析表达式, 据此进行换向性能计算, 使这一问题的解决成为可能     

电枢分段供电永磁直线同步电机的非线性数学模型

电枢分段供电永磁直线同步电机(PMLSM)中,相邻分段铁心的存在会导致气隙磁场脉振,动子穿过电枢定子段也会引发复杂的暂态过程.为准确描述电机的动态过程,该文考虑以上两种特有的电磁特性,建立双三相分段供电PMLSM的相空间模型.首先,采用解析法分析脉振气隙磁场的成因,研究电感不平衡以及饱和效应问题,将六相电流转化到αβ坐标系下建立二维电感查询表,有效地降低了模型的运算量.其次,引入易于求导的Sigmoid函数构造随动子位置变化的耦合系数,准确描述动子通过分段过程产生的空载磁链及反电动势.依据上述方法构建电机相空间模型,与有限元模型进行对比,两者电压与推力计算结果一致.最后,在RT-L a b中搭建基于相空间模型的半实物实验平台,结果表明,该模型能够准确地体现电机的各种效应,可以替代计算成本较大的有限元模型.     

一种组合式同步感应线圈发射器研究

同步感应线圈发射器是一类利用电磁能推进电枢的发射器。普通三级线圈发射器在加速电枢过程中形成的推力不够平滑稳定,且随着速度与推力的增大,驱动线圈易于损坏。文章提出了一种两段三级组合式同步感应线圈发射器设计方案,进而采用有限元仿真软件进行了场路耦合计算,对普通三级线圈同步感应发射器和新设计的发射器的电枢所受电磁力、电枢速度变化等特性的波形进行了比较。结果表明,两段三级组合式同步感应线圈发射器对电枢能产生更大的推力,且推力和加速度变化特性的波形更为平滑稳定;而且其两段三级组合式设计,能够分散线圈的径向受力,从而使驱动线圈不易损坏。物理试验结果验证了仿真计算结果的可信性。     

瞬态条件下电磁轨道发射装置绝缘体热损伤分析

电磁轨道发射装置绝缘体在瞬态发射条件下易出现热损伤而影响其支撑强度和绝缘性能。为分析电枢膛内运动以及炮口电弧回流两个阶段绝缘体的热损伤情况，该文建立了三维瞬态电-磁-热耦合模型以及考虑G10绝缘体细观结构的流-固-热耦合模型。结果显示：电枢膛内运动阶段，绝缘体最高温度始终出现在电枢起始位置附近，接近最高允许工作温度；炮口电弧回流阶段，回流电弧对绝缘体纱线的影响很小，仅口部1.3 mm范围内的纱线形成“倒角”状热损伤，但对绝缘体内表面电弧流经区域的树脂造成了大范围热分解，树脂的热分解损伤占主导地位，并得到了试验验证。导轨冷却系统设计可以避免绝缘体支撑强度下降，采用炮口消弧装置以及提高树脂的抗热侵蚀能力有助于避免绝缘失效。     

电磁驱动器驱动线圈温度场数学模型研究

电磁驱动器是用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有电枢弹丸的发射装置,利用驱动线圈和电枢间的磁耦合机制工作,本质上是一台直线电动机。热损耗影响电磁炮的效率和性能,驱动线圈内过高温升会降低线圈的机械强度和绝缘材料的绝缘性能影响其使用寿命,甚至会烧毁线圈,所以在提高线圈炮初速和射速时必须考虑温升的影响。分析了线圈炮结构原理及发射原理,在单级感应线圈炮机电模型基础上建立了单发瞬态温度场数学模型,根据传热学原理建立了驱动线圈多发稳态等效热路模型以计算线圈内部导热。