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。     

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。     

电磁轨道炮电枢装填推力影响因素分析

电磁轨道炮发射时装填固体电枢所需的推力不仅与电枢-轨道之间的初始接触压力相关,而且与装填电枢的方式等因素相关。通过选取装填过程所涉及的推杆和电枢为研究对象,利用NX NASTRAN解算器建立了电枢入膛有限元模型,对几种常见的推杆偏移现象进行了量化对比分析,结果表明推杆的上下偏移是造成装填推力变大的重要因素。在实际建模中,轨道选用与现实更贴合的凸面对称结构、电枢-轨道接触压力按照每安培一克进行初设。这些工作将有助于提高电磁轨道炮自动装填装置的设计水平。     

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.     

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。     

电磁轨道炮电枢技术研究进展

电枢作为电流和电磁力的载体,在电磁轨道炮中起着将电能转换为弹丸动能的关键作用。通过对国内外电磁轨道炮电枢资料的搜集分析,论述了不同类型、形状的电枢和轨道炮一体化弹丸的研究进展。结合电枢技术特点及其发展趋势,提出了以电磁轨道炮实用化为应用背景的一体化弹丸对电枢的要求及其研究方向。     

电磁轨道炮及其关键技术的现状与发展

以美国为首的军事大国,早在20世纪80年代就将电磁轨道炮作为战略武器正式开始研发,随着国际形势的发展,其开发速度时急时缓.20世纪90年代,美国海军积极开发电磁轨道炮,进人21世纪后,美国海军探讨了电磁轨道炮作为舰载炮的适用性,研究开发再度大规模展开.     

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U形铝质电枢回收过载极限分析

为了研究电磁轨道炮U形铝质电枢在回收过程中可承受的过载极限,运用动力学有限元软件LS-DYNA,采用ALE算法对U形铝质电枢以不同速度侵入不同密度的回收介质进行了数值模拟,以临界形变为参考,得到了不同初速的U形铝质电枢无损回收可选介质的最大密度以及可承受的最大过载值。结果表明:随着电枢速度的提高,回收时可选用的介质密度减小,且减小幅度越来越小;在误差允许范围内,电磁轨道炮U形铝质电枢回收过程中可承受的过载极限值约为800 000 g.研究结果对电枢回收试验有重要参考意义。     

一种电磁轨道炮系统的仿真模型

针对传统方法建模工作量大等问题,提出一种电磁轨道炮系统的模块化分解方法。对轨道炮系统的工作原理、结构特点和工作方式进行研究,将组成系统的物理部件划分为电源、轨道、电枢和弹丸4个主要的实体模块,通过替换系统模块或者改变模型内的参数,灵活方便地研究使用不同类型电源、电枢的电磁轨道炮,并建立了轨道炮系统比较实用的仿真模型。仿真结果表明:适当增大电源电压、合理设计轨道结构及使用轨道修复技术可以提高轨道炮的性能,为今后电磁轨道炮系统的建模与仿真研究提供了思路。     

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。     

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。     

载流电枢电磁线圈发射器运行特性分析

电枢是电磁线圈发射器能量转换的关键部分,以此为研究对象,提出串联载流电枢发射器和并联载流电枢发射器的结构模型,通过分析2种载流电枢发射器的工作原理和结构特点,得到了系统微分方程,并利用MATLAB建立了载流电枢发射器的系统仿真模型,分析了发射器的运行特性。分析结果表明,载流电枢发射器发射过程无拖拽效应,串联载流电枢发射器适于载荷在20 m/s以下的加速段使用,适于选用低压的电容器电源; 并联载流电枢发射器可用于载荷在50 m/s以上的加速段使用,适于选用高电压电容器。研究结果对电磁线圈发射器电枢结构设计具有一定的指导意义。     

基于响应面法的轨道炮C型电枢结构优化设计

C型结构固体电枢结构参数直接影响到电磁轨道炮的发射,针对此问题,提出了一种基于数值分析的C型电枢机构优化方法,该方法采用正交试验设计样本数据,基于响应面法构造优化函数,采用遗传算法进行极小值优化,获得了最大电流密度值的极小值。数值模拟实验表明:该方法降低了电流密度峰值,降低了转捩发生的可能性,具有较高的准确性和可行性,能够为电枢结构改进提供有效途径。     

同步感应线圈炮电枢特性分析

基于电枢工作机理,讨论了电枢材料、结构等对同步感应线圈炮性能的影响。利用Maxwell仿真软件,建立了实体电枢和绕制电枢的有限元仿真模型,对其电磁场特性进行了仿真分析。同实体电枢相比,绕制电枢上的感应电流分布均匀,尾部温升低,但是结构复杂。基于实体电枢和绕制电枢的各自特点和仿真结果,提出了一种新型电枢——混合材料电枢。探讨了混合材料电枢的结构,建立了混合材料电枢的有限元仿真模型并进行瞬态场和涡流场仿真。理论分析和仿真结果表明,混合材料电枢的结构较绕制电枢简单,感应电流的分布优于实体电枢,为电枢工程实践应用提供了参考。     

轨道与电枢间运动电磁场分布的数值计算

为探讨电磁发射过程中轨道和电枢间电流分布情况,根据Maxwell方程推导出电磁场参数与速度之间的关系,建立了直角坐标系下的电磁场对流扩散方程,采用算子分裂格式对对流扩散方程中对流项和扩散项进行分解,分别对抛物型和双曲型方程采用有限差分法进行求解。计算过程表明算子分裂格式能有效求解电磁场对流扩散方程,算法稳定,收敛性好。结合实例的计算结果显示,当电枢高速运动时,在轨道和电枢局部区域的电流密度极大,容易造成轨道材料的烧蚀。