电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算及分析.pdf

第 卷 第 期 年 月火炮发射与控制学报 :./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:赵赛()女 硕士研究生 研究方向为电磁轨道发射技术通信作者:祝丽花()女 博士 教授 研究方向为电磁发射技术、工程电磁场与磁技术及无线电能传输技术电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算及分析赵赛 祝丽花 郝建英 闫荣格 杨庆新(.天津工业大学 电气工程学院 天津 .天津理工大学 电气工程与自动化学院 天津.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)天津)摘 要:针对电磁轨道发射过程中电磁热力多物理场强耦合的计算问题 利用毕奥 沙伐定律推导了电枢和轨道的磁感应强度计算公式 建立其三维瞬态电磁场数值模型并进行求解 在此基础上求解发射过程中枢轨的瞬态电磁力 从摩擦系数瞬态变化的角度考虑轨道电阻焦耳热和滑动摩擦热共同对枢轨瞬态温升的影响 从枢轨材料非线性变化及接触压力瞬态特性的角度考虑了枢轨的应力分布情况 从而建立了动态发射状态下的电磁场 温度场 力场的三维强耦合计算模型并同时进行分析 结果表明:枢轨的电流密度、磁感应强度、温升和热应力集中分布在电枢喉部及枢轨接触面区域 强耦合计算能够获取发射过程中的实时物理量参数 为材料进一步设计制造和系统可靠性预测奠定基础关键词:电磁轨道发射 电磁热力 极端条件 多场强耦合 数值分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.第 期赵赛等:电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算及分析:电磁轨道发射装置将电磁能转化为电枢运动所需要的动能推动电枢在轨道中加速以获得超高发射速度相比于传统的发射方式因其弹丸初速可控性好、获得初速高、发射效率高等优势具有十分广阔的应用前景 电磁轨道发射装置涉及电磁、结构、温度等多物理场强耦合的复杂问题由于运动工况下的强耦合时变特性使得工程应用中难以准确得到基于多物理场强耦合的理论解析模型 因此研究电磁轨道发射装置电磁热力多物理场强耦合计算及分析方法是十分重要的针对电磁轨道发射装置的电磁热力多物理场强耦合计算问题国内外对建立强耦合计算模型进行了广泛的研究 等开发了具备多物理场数值计算能力的 软件采用有限元方法和边界元方法的混合算法通过建立电磁轨道发射器的多物理场瞬态耦合模型对高速滑动电接触的问题进行了深入研究同时对电枢和轨道的瞬态电磁力和温度分布特性进行了数值计算 等采用加权残值有限元和边界元相结合的方法编写了电磁 热瞬态耦合仿真程序对不同形状的电枢进行了动态响应分析 谭赛采用棱边元法和节点元法利用自由度平移法建立了电磁热物理场耦合有限元数值计算模型并与由 软件所计算的结果对比验证了该模型的正确性但研究中忽略了运动过程中枢轨之间的应力应变情况以及与磁场和温度场之间的耦合关系 林庆华利用 软件基于有限元和边界元结合的方法实现电磁 热 结构场之间载荷传递的耦合模型计算对发射过程中枢轨的电流密度、温度及应力的分布进行了详细的分析但该模型只考虑了电磁场对温度场和结构场的单向耦合作用 王烝考虑焦耳热、摩擦热和接触电阻热的瞬态特性对增强型电磁轨道炮导轨的瞬态温升及瞬态扩张量分布进行了计算但模型中忽略了导轨形变对电磁场和温度场的影响在上述研究中忽略了极端条件下电磁轨道发射装置复杂的电磁热力强耦合对导电、导磁及枢轨相关材料性能的变化未对枢轨同时进行三维瞬态电磁热力强耦合计算分析 针对以上问题笔者利用毕奥 沙伐定律推导了枢轨的磁感应强度计算公式建立其三维瞬态电磁场数值模型并求解发射过程中枢轨的瞬态电磁力及磁感应强度 从摩擦系数、枢轨材料特性和接触压力瞬态特性的角度考虑枢轨瞬态温升和应力分布情况分析了动态发射状态下枢轨的磁感应强度、电流密度、温度场和应力场的分布特征 多物理场条件及控制方程在电源、轨道以及电枢形成的闭合回路中变化的电场会在两个轨道中间产生变化的磁场磁场与流经电枢的电流相互作用形成强大的电磁力推动电枢和弹丸沿着轨道方向做直线加速运动 在运动过程中速度、位移、应力等动力学响应同时也影响枢轨的电磁场分布多物理场强耦合关系如图 所示当电枢运动时产生的瞬态电磁力和焦耳热分别影响电枢和轨道的应力和温度变化分布在发射极短过程中会存在极大温升温升的主要来源是轨道体电阻产生的焦耳热及电枢高速滑动产生的摩擦热同时温度的变化会引起材料电导率、弹性模量和热导率的变化从而影响焦耳热及应力分布枢轨接触面变化的接触力主要是由电磁力和过盈力作用产生的正压力及热膨胀产生的热应力组成考虑接触压力对界面电导的影响从而直接影响电磁场中电流密度的分布情况 在建立模型时将充分考虑在极端冲击条件下对材料特性的变化影响以及在不同瞬间分析时考虑应力、温升及电磁场综合影响为定量分析系统各种场量提供基础数据火炮发射与控制学报第 卷.电磁场控制方程对于电磁轨道发射装置计算模型由于传导电流远大于位移电流可以忽略位移电流的影响认为是磁准静态场瞬态电磁场的控制方程为 ()()()()()式中:为电场强度 为磁感应强度 为电流密度 为磁场强度为外部电流密度 为电枢运动速度 为材料的电导率将轨道看成是由无数多根电流直导线组成的均匀载流长导体载流直导线外任意点的磁感应强度为()()式中:为激励电流为磁导率、分别为点与导线两端的夹角 为点到导线的空间距离根据式()可计算均匀载流导轨中任意点()的磁感应强度为()()()式中:为轨道的横截面积为电枢运动过程中 方向的位置对枢轨所在区域进行体积分枢轨上任意电流元在电枢上某点()的磁感应强度为()()()()()()式中、分别为、方向上的电流密度其中 ()()()电枢受到的电磁驱动力为 ()式中为电枢体积.温度场控制方程发射过程中激励电流为毫秒级脉冲且电枢高速运动电流产生的焦耳热及电枢高速滑动过程中产生的摩擦热成为热载荷的重要来源 枢轨的热传导方程为()()()式中:为材料的质量密度 为温度 为材料的比热容 为热传导系数为摩擦系数为枢轨接触面处的压强在求解域中所有边界处的边界条件均为绝热边界条件即()式中 为边界法向量.力场控制方程由于枢轨产生温升或温度分布不均时结构体内部将会产生热应变力学控制方程为 ()()()式中:为电枢运动位移为热应变 为应力为材料的热膨胀系数随温度变化电枢高速运动会引起枢轨接触表面发热、变形和磨损等从而影响摩擦系数考虑滑动速度对摩擦因数的影响:()()式中:、由枢轨材料性质和压力载荷决定为电枢运动速度假设粗糙面各向同性且表面粗糙度是在塑形形变的条件下可以用()关系来计算接触面传导率 其计算模型为.()式中:、分别为电枢和轨道的电导率 和 分别为表面粗糙度的粗糙平均斜率和平均高度为较软材料的硬度 为接触压力界面电导分布与枢轨材料特性及接触压力分布有关 计算模型及边界条件应用 软件建立了电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算模型如图 所示 轨道为长方体结构长.宽 高 所用材料为紫铜其导电性能良好电枢采用 形结构所用材料为 铝合金其结构紧实强度高耐磨性强第 期赵赛等:电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算及分析在模型中考虑枢轨材料的非线性变化情况通过查阅铝合金应用手册铜加工技术实用手册书籍得到材料性能参数和非线性变化曲线如表 和图 所示表 材料属性参数材料紫铜 铝合金泊松比.密度/()电导率/()图().热导率/()图()图()弹性模量/图()图()在轨道通电后枢轨周围都存在磁场将枢轨看作一个系统几何形成装配体将枢轨的上下接触面分别设为接触对瞬态电磁力作为力学场的体载荷 对轨道两侧施加固定约束发射初始阶段对轨道两侧面施加一定的预压力能够保证枢轨良好接触初始接触力可以通过设置合适的过盈量来实现 在极端工作条件下由于作用力发生在极短的时间内温升急剧升高相对散热极小将轨道与空气域视作绝热处理在初始时刻将枢轨温度设为 考虑轨道电阻焦耳热及枢轨滑动产生的摩擦热金属轨道内部的温度分布不均匀各质点之间相互制约以及结构上存在外在约束使其不能完全自由胀缩而产生热应力电枢受到热膨胀作用对两侧轨道产生压力结构体将产生热应变通过“热膨胀”物理场接口实现耦合计算通入枢轨的激励电流如图 所示 电流的上升沿约为.峰值为.激励时间为 计算结果及分析根据模型计算得到电枢运动速度和位移曲线如图 所示 电枢在.时从轨道出口滑出出口速度约为 /.电磁场计算结果根据 电磁场计算结果可以得到轨道之间的磁感应强度分布电流峰值时刻电枢前后轨道间磁感应强度分布如图 所示火炮发射与控制学报第 卷由图 可见电枢前端在轨道中间产生的磁感应强度约为 后端可达到 磁感应强度增大明显电枢磁感应强度在轨道两侧方向呈现马鞍面分布由中心向两侧方向逐渐增加 电流趋肤效应导致电流集中在轨道表面处使得枢轨接触面区域磁感应强度增大明显达到 对电磁轨道发射装置的瞬态电磁力进行数值计算如图 所示 在峰值电流为.时电枢在运动中受到的电磁推力最大可达到 电流密度在电枢和枢轨接触面的分布情况如图 和 所示如图、可知在发射过程中电流密度集中分布在电枢喉部及枢轨接触区域最大可达到/电流密度呈 形分布并出现逐渐向两侧分布的趋势 受电枢高速运动的影响电流集中在导体边缘并逐步向枢轨接触面的尾端方向扩散.温度场计算结果通过强耦合计算模型可得到发射过程中电枢和轨道的最高温度曲线如图 所示由图 可知电枢向前加速运动在出口处其最高温度可达到 根据曲线斜率可计算出最高温升速率可达到 /轨道最高温度可达到 在发射过程中电流在.之前处于上升期电流较小电枢刚开始运动温升较缓慢在.之后电流升高至峰值温升速度开始加快几乎呈现线性增长 图 和 分别为电枢和轨道的温度分布由图、可知由于电流密度集中分布在电枢喉部和枢轨接触面因此枢轨最高温度也主要分布在电枢喉部及接触面区域 轨道的高温区域不断向着出口方向延伸轨道温升最高区域在轨道两第 期赵赛等:电磁轨道发射装置电磁热力强耦合计算及分析侧特别是靠近轨道棱角处最高温度达到 该位置由于电流密度分布大截面积很小因此导致高温区域沿轨道棱线集中分布轨道其他区域的温升变化不明显在电流密度分布较小区域的温度与室温相似轨道体电阻产生的焦耳热和枢轨滑动摩擦产生的摩擦热如图、所示由图、可知发射过程中产生的热量随着电枢高速运动发生瞬态变化焦耳热在电流峰值时刻达到最大值约为 之后随着电枢运动表现出逐渐递减的趋势 与电枢运动速度和位移曲线相对应枢轨滑动摩擦热在电枢位移为.时达到最大值约为 热量来源在电枢运动初始阶段以轨道体电阻焦耳热为主之后滑动摩擦热量逐步上升 与文献相比摩擦热量曲线分布规律性一致均呈现先增后减的变化趋势 在计算摩擦热时考虑了摩擦系数随速度变化的瞬态特性根据计算模型发射过程中电枢运动速度及温度变化的相关曲线图与式()的大致趋势相对应可以作出摩擦系数随速度变化的曲线如图 所示在发射过程中由于焦耳热的作用电枢启动时即进入由干滑动摩擦向流体润滑的过渡边界润滑阶段此时摩擦系数上限值为初始干滑动摩擦系数 随着发射进程中速度不断增大温度不断升高摩擦系数逐渐降低在电枢温度达到 、速度达到 /时摩擦系数稳定在.左右.力场计算结果在发射过程中不同时刻电枢的应力分布如图 所示由图 可知电枢的应力分布特征与其温度分布相似最大应力主要出现在电枢喉部及枢轨接触面处 在初始时刻轨道两侧的预压力作用在电枢上因喉部区域面积小集中在喉部区域 随着电枢高速运动电枢温度迅速升高金属轨道内部的温度分布不均匀且存在固定约束使其不能完全自由胀缩而产生热应力电枢应力值主要由电磁力、热应力及预压力共同组成 因摩擦热量主要体现在枢轨接触面上因此接触面的热应力值升高明显 电枢喉部处的应力值最大可达到 考虑结构场和温度场的耦合作用所选用的 铝合金材料的屈服强度随着温度升高会下降在出口时刻电枢温度达到最高使其结构刚度受到影响可能会导致电枢的变形电枢和轨道之间的接触压力主要包括由电磁火炮发射与控制学报第 卷力、过盈力作用产生的正压力及热膨胀产生的热应力通过电磁场与结构场的耦合作用得到了枢轨的接触压力变化曲线如图 所示由图 可知结构本身的刚度作用使得枢轨之间的接触压力呈现振荡变化一般基于 的安克法则(/)来判断电枢与轨道的接触压力如果接触压力小于 /则枢轨接触状态较差容易发生转捩 通过模型计算对比在电流峰值时刻枢轨的接触压力接近于安克法则的接触压力其余时刻均大于计算的接触压力 结论针对电磁轨道发射装置的电磁热力多物理场强耦合计算问题主要得到了以下结论:)利用毕奥 沙伐定律推导了枢轨的磁感应强度计算公式建立其三维瞬态电磁场数值模型得出在电流峰值时刻电磁推力达到最大值枢轨的电流密度、磁感应强度集中分布在电枢喉部及枢轨接触面区域)从摩擦系数瞬态变化的角度分析轨道电阻焦耳热和滑动摩擦热共同对枢轨瞬态温升的影响得出温升变化明显的区域体现在电枢喉部、轨道外侧棱线及枢轨接触面热量来源在初始阶段以轨道电阻焦耳热为主之后摩擦热量逐步上升摩擦系数随着速度的增加而减小最终趋于稳定值)从枢轨材料非线性变化以及接触压力瞬态特性的角度分析枢轨的应力分布情况得出热应力集中分布在电枢喉部及枢轨接触的边缘区域接触压力呈现出振荡变化强耦合计算能够获取发射过程中实时物理量参数为材料进一步设计制造和系统可靠性预测奠定基础参考文献 马伟明鲁军勇.电磁发射技术.国防科技大学学报():.():.():.鲁军勇杜佩佩冯军红等.电磁轨道发射器临界速度仿真研究.中国电机工程学报():.杜佩佩鲁军勇冯军红等.电磁轨道发射器电磁结构耦合动态发射过程数值模拟.电工技术学报():.林灵淑袁伟群赵莹等.电磁轨道发射器的模型化研究方法.强激光与粒子束():.():./.():./.():.():.():.谭赛鲁军勇龙鑫林等.电磁轨道发射装置磁热耦合数值计算方法.海军工程大学学报():.():.(下转第 页)火炮发射与控制学报第 卷于 软件对限位块进一步疲劳分析得出限位块易断裂位置的疲劳寿命并对该位置进行形状优化优化后限位块整体寿命大幅度提升参考文献 邬欣明.某车载自动迫击炮全炮动力学仿真.南京:南京理工大学:.李洪强廖振强王涛.某车载转管机枪刚柔耦合发射动力学分析.弹道学报():.马毓泽杨国来.坦克行进间垂向稳定器机电液系统的建模与仿真.弹道学报():.钱明伟王良明.自行火炮行进间动力学模型及仿真研究.兵工学报():.覃凌云杨书仪陈哲吾等.路面激励下的履带车辆负重轮动载荷研究.振动、测试与诊断():.陈宇.坦克行进间发射动力学分析及优化研究.南京:南京理工大学:.麻小明刘馨心徐宏斌等.履带式车载武器行进间发射动力学研究.弹箭与制导学报():.谢润杨国来徐龙辉.自行火炮行进间刚柔耦合多体系统动力学分析.南京理工大学学报():.徐龙辉.履带式自行火炮行进间振动特性及控制研究.南京:南京理工大学:.向飞飞陈学军孙华刚等.爆胎对牵引火炮行驶性能仿真分析.振动与冲击():.陈海库.某牵引式火箭发射装置行驶动力学仿真.南京:南京理工大学:.冯涛丁航李重伯.基于 的摆线泵刚柔耦合多体动力学仿真分析.机械传动():.彼得艾伯哈特胡斌.现代接触动力学.南京:东南大学:.郝驰宇冯广斌闫鹏程等.基于刚柔耦合的综合传动汇流行星排断齿故障动态特性仿真研究.振动与冲击():.张婷婷.考虑非线性支撑的乘用车副车架疲劳分析.柳州:广西科技大学:.(上接第 页)谭赛鲁军勇张晓等.电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟.国防科技大学学报():.():.林庆华栗保明.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.兵工学报():.王烝赵南南苏子舟等.增强型电磁轨道炮导轨的多场耦合分析与研究.火炮发射与控制学报():.范薇苏子舟张涛等.增强型电磁轨道炮瞬态温升时空分布.高电压技术():.姚鹏飞.增强型电磁轨道炮的多物理场耦合仿真研究.秦皇岛:燕山大学:.