电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟.pdf

第 卷第 期 年 月弹道学报 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:李超()男硕士研究生研究方向为电磁阻尼缓冲装置:.通信作者:杨国来()男教授博士生导师研究方向为火炮现代设计理论与方法:.:./.()电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟李 超杨国来李 雷(南京理工大学 机械工程学院江苏 南京)摘要:针对传统火炮上液压制退机存在的漏液、难以维修等问题利用电磁阻尼机理的电涡流制退机应运而生 烧结钕铁硼作为其中关键的功能件在火炮发射环境下的磁场保持问题备受关注 为探究此问题设计了冲击去磁实验平台测量了不同冲击速度下的冲击载荷与磁体产生的感应电动势获得了磁体的磁通量变化曲线 结合实验数据特点建立了烧结钕铁硼的冲击去磁理论模型开发了冲击去磁过程的联合仿真模型方法并通过与实验值对比的方法验证了冲击去磁理论模型的有效性 建立了火炮发射非线性动力学模型结合建立的冲击去磁模型对火炮后坐运动中电涡流阻尼器的去磁效应进行了研究 结果表明最右端烧结钕铁硼永磁体整体处于可逆去磁区域仅在永磁体内圈产生不可逆去磁现象去磁量为.该去磁模型拓展了烧结钕铁硼的材料属性电涡流制退机中去磁效应的仿真计算结果为烧结钕铁硼在电涡流制退机上的工程化应用提供了理论依据与参考关键词:电涡流制退机烧结钕铁硼冲击去磁去磁模型仿真计算中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.弹道学报第 卷.:制退机是火炮反后坐装置中极其重要的部分其性能直接影响火炮发射的稳定性与可靠性 目前火炮上使用的液压式制退机存在结构复杂、易产生空化效应、维修费用高等问题严重影响火炮的性能 电涡流制退机具有结构简单、易于维修等优点近年来发展迅猛 李子轩等首次将永磁式圆筒型电涡流阻尼器应用于火炮上研究了电涡流制退机的结构参数与去磁效应对阻力特性的影响并进行了后坐阻力优化研究 为提高电涡流制退机的能量密度李启坤等提出将 永磁阵列应用于电涡流制退机结构并分析了关键结构参数对阻尼特性的影响 谢子豪等将同心式和偏置式布置的电涡流制退机进行对比分析了不同布置方案对炮口振动的影响 葛建立等设计了一种双层永磁体式的电涡流制退机结构计算了后坐过程中的位移、阻力与电涡流阻尼力并对比验证了此结构的优越性 以上研究表明电涡流制退机能满足火炮后坐要求 然而在电涡流制退机的发展过程中还存在着许多问题冲击环境下烧结钕铁硼的去磁行为是影响电涡流制退机连续发射性能的关键问题目前在该领域的研究较少文献中重点开展了冲击下烧结钕铁硼的去磁微观机理研究认为材料从铁磁相转变成顺磁相富钕相发生滑移或断裂导致了退磁确定了材料发生退磁时所受应力的范围 文献中研究了冲击波对磁铁的磁性能的影响精确了烧结钕铁硼发生退磁的压力范围发现经冲击后磁体矫顽力损失很大 上述研究中的冲击压力都为 量级然而电涡流制退机中烧结钕铁硼磁体所承受的为 级的冲击压力的重复作用磁体会发生去磁影响设备的性能 目前对于此类工况下的研究还处于空白本文针对烧结钕铁硼磁体在电涡流制退机工作过程中承受冲击载荷的幅值开展了冲击去磁实验基于实验结果反应的去磁规律对烧结钕铁硼在冲击作用下去磁规律进行理论描述基于该理论并结合实验过程建立了冲击去磁的联合仿真模型进行冲击作用下烧结钕铁硼去磁行为的仿真计算结合火炮后坐运动过程数值计算模型对电涡流制退机中磁钢组件的去磁效应进行计算分析所开展的实验与相应的理论描述拓展了烧结钕铁硼的基础材料属性电涡流制退机中去磁效应的计算结果为烧结钕铁硼在电涡流制退机的进一步发展提供了理论依据与参考 冲击作用下烧结钕铁硼去磁实验方法图 为采用电涡流制退机的某火炮结构示意图 电涡流制退机工作时膛底压力作用于炮尾与炮闩带动运动杆向反方向运动根据楞次定律运动杆切割永磁体产生的磁感线会在导体内筒上产生涡流并提供电磁制退力阻止运动杆向反方向运动从而达到对炮膛合力进行缓冲的目的 因此烧结钕铁硼是整个电涡流制退机的能量来源它在冲击环境下的磁场性能影响着整个装置的可靠性 发射过程中电涡流制退机最大能提供 的阻尼力而受载情况最复杂的磁钢组件是最右方的烧结钕铁硼磁体载荷主要以冲击形式加载于磁钢组件上其受到的最大应力在 以下 针对此种工况设计冲击作用下烧结钕铁硼材料的去磁实验图 采用电涡流制退机的某火炮结构示意图 第 期李 超等 电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟本文所研究的试样由宁波招宝磁业有限公司生产牌号为 直径为(.)厚度为(.)表面不进行涂层处理 烧结钕铁硼的剩磁.内禀矫顽力 /磁感矫顽力 /最大磁能积()/冲击去磁实验是在改进的分离式霍普金森压杆()设备上进行的其装置构造如图 所示整个实验装置由高压气瓶、气炮、撞击杆、无磁钢垫片、烧结钕铁硼试样、线圈绕组、速度传感器、示波器、基应力计等组成 本次实验中选取的冲击速度 为././与./图 冲击去磁实验平台 本实验原理为:烧结钕铁硼试件在冲击载荷作用下做出力学响应结合动态力磁响应磁体中力学响应转变为磁通量响应磁体中的磁感应响应通过线圈绕组转化为磁通量的变化结合电磁感应定律转变为感应电动势最后在示波器中输出由于试件后方无透射杆无法获得冲击载荷需要用 基应力计代替冲击实验中试样与线圈的组合进行对应速度下的载荷标定实验使撞击杆以相同的速度撞击 基应力计对电压数据进行捕捉实验过程中烧结钕铁硼所受的冲击压力为()()()式中:()为测得的电压数据()为试件所受的冲击压力 为动态压电系数 为负载电阻 为有效承载面积 在本次实验中 和 分别为/和 实验结果与讨论图()为 基应力计在相应冲击速度下标定的应力值经过校准的冲击压力稳定段均值分别为 和 图()为在相应冲击速度下线圈产生的感应电动势 随着冲击载荷的不断增加产生的感应电动势峰值也在增加分别为.和.图 冲击去磁实验结果 根据法拉第电磁感应定律对感应电动势进行积分可以获得磁通量随时间的变化曲线 公式为()()()式中:()为磁通量随时间的变化量()为感应电动势 为线圈匝数 实验中采用的线圈匝数为 直径为.图 为不同冲击速度下感应电动势与磁通量随时间的变化曲线 在冲击速度为./时磁通量的变化经过峰值后逐渐下降然后稳定到 附近这表明在承受冲击载荷时磁体发生了去磁但随着冲击载荷的消失磁体的磁性又重新恢复在冲击速度为./时磁通量的变化峰值大于冲击速度为./的峰值载荷消失后磁通量的变化值减小到 说明磁体的磁场并没有恢复磁体在冲击作 用 下 发 生 了 不 可 逆 去 磁 在 冲 击 速 度 为./时整个冲击过程中磁通量的变化值都在增加在受载的初始阶段增加较快后续减缓这表明磁体的去磁程度一直在增大弹道学报第 卷图 不同速度下感应电动势与磁通量随时间的变化曲线 冲击作用下烧结钕铁硼去磁模型.冲击去磁理论模型基于外磁场作用下烧结钕铁硼的去磁模型提出一种动态冲击下烧结钕铁硼的去磁模型如图 所示 图中为初始剩磁大小为膝点应力值为去磁区域 的临界应力值为去磁区域 的回复线斜率为去磁区域 的回复线斜率 在承受冲击强度低于 时存在着应力膝点 当应力小于应力膝点值 磁体经历可逆去磁磁感应强度随着应力的增大下降缓慢载荷消失时磁体的磁感应强度会恢复到初始状态当应力大于应力膝点值 磁体经历不可逆去磁磁感应强度随着应力的增大迅速下降外载荷消失时磁体的磁感应强度无法恢复到初始状态且应力越大磁体的去磁不可逆度增加表现为不可逆去磁回线的斜率减小即 图 冲击作用下烧结钕铁硼的去磁行为 .烧结钕铁硼冲击去磁过程的建模与分析.联合仿真建模以磁畴为桥梁对烧结钕铁硼的去磁行为进行研究为简化计算做出如下假设:以二维模型代替三维结构进行计算冲击过程中不出现畴壁位移情况磁畴结构在受冲击过程时符合文献所述的动态力学特性 联合仿真建模流程如图 所示以二维的泰森多边形图模拟磁畴结构在 中建立磁畴模型施加相应的载荷与边界条件计算得到各磁畴的应力时间曲线编写冲击去磁模型程序将各磁畴的应力时间曲线处理为磁场时间曲线将磁畴模型导入 中建立线圈模型与空气域进行电磁场计算得出各个冲击速度下线圈中产生的感应电动势图 联合仿真建模示意图 .计算结果与讨论表 为烧结钕铁硼去磁模型中关键参数表 表中为膝点处磁感应强度第 期李 超等 电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟表 烧结钕铁硼去磁模型参数 /.将参数代入烧结钕铁硼去磁模型中并按照联合仿真建模步骤进行计算得出各冲击速度下线圈中感应电动势的仿真结果 表 为仿真结果与实验结果感应电动势的峰值对比与误差 在冲击速度为./与./时感应电动势的仿真值与实验值误差较小但在冲击速度为./时仿真值与实验值存在一定误差实验过程中此时磁体受到的冲击载荷较大磁通量与磁感应强度的变化也较大导致在磁体内部产生较大垂直于磁通量的涡电流磁场的变化过程较为复杂表 仿真与实验峰值感应电动势结果 冲击速度/()电动势/实验值仿真值相对误差/.图 为各冲击速度下仿真结果与实验结果对比图图 各冲击速度下仿真结果与实验结果对比 在冲击速度为./时整个磁体处于可逆去磁区域当载荷消失时磁通量的变化恢复到初始状况在冲击速度为./时冲击载荷幅值增大磁体主要处于不可逆去磁阶段 载荷消失后磁场的损失较小磁通量的变化从开始的增加到逐渐稳定在冲击速度为./时磁场的变化较为复杂磁体的去磁情况从不可逆去磁区域 进入了不可逆去磁区域 磁通量的变化值在整个过程中持续增大体现出应力膝点的存在同时去磁过程存在不可逆的恶化情况 无论是从感应电动势或磁通量的变化曲线来看所建立的冲击去磁模型基本能反映出烧结钕铁硼在冲击作用下的磁场变化规律 电涡流制退机中去磁效应数值计算.火炮发射非线性动力学建模计算如图 所示在前处理软件 中对某火炮上装模型进行有限元网格划分 身管炮尾部分采用三维六面体单元进行建模摇架上架中部分的钣筋与加强筋部分用四面体壳单元建模 身管、炮尾与炮口制退机之间用 约束进行连接身管与衬瓦之间定义面面接触高低机与齿弧定义接触面摇架与上架在耳轴位置用 连接单元进行模拟上架与平衡机定义转动铰 座圈下表面定义“全约束”边界条件在炮闩上施加随时间变化的炮膛合力模拟炮闩受到的膛底压力 复进机力曲线是随后坐位移的变化曲线通过编写 子程序实现复进机力的加载过程 电涡流阻尼力施加于整个磁钢组件之上施加方式与复进机力相同根据所建立的连接关系、边界关系与施加的载荷在 中进行计算得到火炮的后坐位移弹道学报第 卷与后坐速度如图 所示 模拟的后坐过程再现了后坐运动过程中机构的运行规律反应了所建立的连接关系与载荷施加的正确性为下文对烧结钕铁硼的磁场特性分析提供了可靠的模型基础图 某火炮上装网格模型 图 火炮后坐位移与后坐速度曲线 .烧结钕铁硼去磁效应数值计算将烧结钕铁硼冲击去磁模型引入电涡流制退机后坐运动过程中计算电涡流制退机中烧结钕铁硼的米塞斯应力并按照冲击去磁模型计算烧结钕铁硼受冲击时的去磁量 图 为计算所得后坐过程中磁钢组件的应力最大时刻的应力云图以应力膝点值.作为可逆与不可逆去磁区域的分界值可以看出仅在最右侧的磁体内圈出现了不可逆去磁现象由于应力最大值为.磁体处于去磁模型中的不可逆去磁区域 火炮后坐运动过程中仅最右端磁体的内圈部分出现了不可逆去磁现象对最右端磁体的去磁过程进行分析 如图 所示整个后坐过程中冲击载荷使磁体内圈的点 处去磁量达到了.当应力小于应力膝点时去磁量按照可逆去磁曲线随应力增大而增大当应力超过应力膝点值时去磁量按照不可逆去磁曲线随着应力增大迅速增大当应力处于波动下降阶段磁体的去磁量处于不可逆去磁区域 应力下降带来的磁场恢复要小于应力上升带来的磁场失去去磁量波动上升当应力逐渐减小至 磁体的去磁量随着应力减小波动下降图 应力最大时刻磁钢组件米塞斯应力云图(单位:)()图 最右端磁体点 处去磁结果示意图 结束语针对电涡流制退机在工作时烧结钕铁硼去磁行为进行研究进行了冲击去磁实验建立了冲击去磁模型对去磁行为进行解释通过联合仿真建模方法验证了去磁模型并对火炮后坐运动中电涡流阻尼器的去磁效应进行了研究 结果表明磁钢组件整体处于可逆去磁区域仅在最右端永磁体内圈产生了不可逆去磁去磁量最大达到了.但火炮后坐过程中产生的热量会传递到永磁体中而所建立的去磁模型中缺少关于温度因素对烧结钕铁硼磁场变化影响的分析在后续工作中应进一步研究第 期李 超等 电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟参考文献 高树滋陈运生张月林等.火炮反后坐装置设计.北京:兵器工业出版社.:.().:.李子轩杨国来孙全兆等.强冲击载荷下永磁式电涡流阻尼器阻力特性及优化研究.兵工学报():.():.()李启坤葛建立李加浩等.强冲击载荷作用下 阵列电涡流阻尼器动力学特性仿真分析.弹道学报():.():.()谢子豪刘宁黄建文等.电涡流阻尼器布置方式对炮口振动的对比性研究.兵器装备工程学报():.():.().:.():.():.伍俊英陈朗李维等.钕铁硼强磁性材料的冲击加载实验和数值 模 拟 研 究 .北 京 理 工 大 学 报 ():.:.():.()伍俊英陈朗李维等.钕铁硼强磁体的冲击去磁规律实验研究.高压物理学报():.():.()鲁峰陈朗冯长根等.冲击波作用下钕铁硼的动态特性研究.兵工学报():.():.().():.:.