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增强型电磁轨道炮瞬态温升时空分布

高电压技术 2021年第9期47卷 3346-3354页

作者：范薇苏子舟张涛刘勇国伟金文奇西北机电工程研究咸阳712099 63850部队白城137001

轨道瞬态温升时空分布特性对于增强型电磁轨道炮发射效率具有极其重要的作用。该文从接触电阻瞬态特性、枢轨接触压力瞬态特性的角度,对轨道电阻焦耳热与摩擦热共同影响轨道瞬态时空温升的分布特性进行研究。通过发射试验得到的炮口电... 详细信息

轨道瞬态温升时空分布特性对于增强型电磁轨道炮发射效率具有极其重要的作用。该文从接触电阻瞬态特性、枢轨接触压力瞬态特性的角度,对轨道电阻焦耳热与摩擦热共同影响轨道瞬态时空温升的分布特性进行研究。通过发射试验得到的炮口电压、轨道电流、电枢位移等数据建立这几个物理量之间的数学模型,计算分析了增强型电磁轨道炮枢轨接触电阻瞬态特性,获得了轨道接触电阻焦耳热分布;应用瞬态接触压力计算方法模拟枢轨接触压力的瞬态特性,获得了轨道摩擦热分布。为研究轨道瞬态温升时空分布特性,通过电枢运动位移、速度与时间的关系,对轨道进行分段建立瞬态温度场计算模型并采用电-磁-热耦合的计算方法,得到了以电阻焦耳热与摩擦热为热载荷共同作用下的轨道温升时空分布特性。数值模拟结果表明:随着电枢高速运动,摩擦热随之逐渐上升,接触电阻热较小;发射过程中临近炮尾的轨道温升较大,表明了炮尾轨道为热管理的关键部位,为电磁轨道炮的热设计提供了理论依据。

关键词：增强型电磁轨道炮接触电阻瞬态接触压力温升时空分布多场耦合

增强型电磁轨道炮电磁结构耦合有限元分析及结构优化设计

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机械设计 2016年第2期33卷 18-23页

作者：袁晓明吴鹏陈晓阳张立杰燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室河北秦皇岛066004 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学) 河北秦皇岛066004

以增强型电磁轨道炮为研究对象,利用Ansoft Maxwell和ANSYS Workbench软件建立了轨道炮的电磁结构耦合有限元模型,通过Ansoft Maxwell电磁场有限元分析得到了电枢和导轨的电磁力分布情况,把电磁力作为载荷导入ANSYS Workbench中,对轨道... 详细信息

以增强型电磁轨道炮为研究对象,利用Ansoft Maxwell和ANSYS Workbench软件建立了轨道炮的电磁结构耦合有限元模型,通过Ansoft Maxwell电磁场有限元分析得到了电枢和导轨的电磁力分布情况,把电磁力作为载荷导入ANSYS Workbench中,对轨道炮的主体结构进行了动力学分析,得到结构的等效应力和变形分布情况。基于正交试验优化方法,对轨道炮的结构关键设计参数进行了优化设计,使优化后结构的强度和刚度满足实际需求。

关键词：增强型电磁轨道炮电磁结构耦合动力学分析正交试验优化设计

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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 2022年第5期43卷 1-8,23页

作者：王烝赵南南苏子舟王栋白天羽西安建筑科技大学机电工程学院陕西西安710055 西北机电工程研究所陕西咸阳712099

为了研究增强型电磁轨道炮在发射过程中的电磁场分布、温度变化以及形变的动态过程,对轨道炮双轨进行了电磁-温度-结构三维耦合仿真分析。分析过程中考虑了焦耳热、接触电阻热和摩擦热的瞬态特性,通过电枢位移与时间的关系,对导轨进行... 详细信息

为了研究增强型电磁轨道炮在发射过程中的电磁场分布、温度变化以及形变的动态过程,对轨道炮双轨进行了电磁-温度-结构三维耦合仿真分析。分析过程中考虑了焦耳热、接触电阻热和摩擦热的瞬态特性,通过电枢位移与时间的关系,对导轨进行分段建模,计算了导轨在不同热载荷下的瞬态温升分布以及瞬态扩张量分布。结果表明:主轨表面温度主要是由焦耳热引起的,接触电阻热和摩擦热对主轨温升分布有一定影响,炮尾处温升最大;相同冷却时间下增强型轨道炮导轨比简单轨道炮导轨温度梯度低;导轨扩张量主要是由电磁力引起的,电流焦耳热对扩张量略有影响。该多场耦合分析过程可为电磁轨道炮的设计提供参考。

关键词：增强型电磁轨道炮导轨接触电阻瞬态摩擦多场耦合数值模拟

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增强型电磁轨道炮的多物理场耦合仿真研究

增强型电磁轨道炮的多物理场耦合仿真研究

作者：姚鹏飞燕山大学

学位级别：硕士

电磁轨道发射技术是二十世纪初初期被提出来并且迅速发展的一项非常重要的工程技术。经过近两百年的探索和研究,该项技术已经逐渐发展壮大,并在航空航天、高压物理、材料科学、军工武器等方面展现了巨大的潜力。特别是在武器方面,电磁... 详细信息

电磁轨道发射技术是二十世纪初初期被提出来并且迅速发展的一项非常重要的工程技术。经过近两百年的探索和研究,该项技术已经逐渐发展壮大,并在航空航天、高压物理、材料科学、军工武器等方面展现了巨大的潜力。特别是在武器方面,电磁发射技术主要有线圈炮、重接炮和轨道炮三种形式,其中轨道炮最简单且容易达到超高的发射速度。相比于传统火炮,电磁轨道炮具有性能优良,出口速度高,操控性好等诸多优点。但是电磁轨道炮容易出现电枢融化、轨道刨削、电枢转捩等现象,严重影响电磁轨道炮的能量转换效率和出口速度。本文以增强型电磁轨道炮为研究对象,通过研究电磁轨道炮的工作机理,建立系统相关数学模型,搭建Matlab/Simulink系统仿真模型并以仿真结果为初始条件通过Ansys workbench仿真平台进行多物理场的耦合仿真计算进行性能研究分析。首先,研究增强型电磁轨道炮的结构与工作机理,推导出电枢所受电磁力、摩擦阻力、空气阻力、运动过程以及枢轨电压降的数学模型,结合电容电路等电气模型在Matlab/Simulink中搭建系统仿真模型,通过增强型电磁轨道炮的机电系统仿真模型计算得到增强型电磁轨道炮工作过程中的电流特性曲线和电枢运动结果,并为多物理场耦合仿真提供初始条件。然后,通过Ansys Maxwell以机电系统仿真结果中电流特性曲线为初始条件进行电磁场仿真,分析了在6000V电压下的电流密度分布,趋肤效应结果,轨道之间的磁场强度分布以及电枢所受电磁力与时间的关系。其次在Ansys workbench仿真平台上将电磁场与温度场耦合进行电枢与轨道的温度仿真计算,分析了轨道与电枢的温度变化与温度分布,研究了温度在轨道长度方向上的分布,并分别对4kV、6kV、8kV、10k V、12kV、和14k V六种不同电压下电枢与轨道温度变化与分布进行了对比仿真分析。最后将电磁场和温度场的仿真结果与结构场耦合,用弹性约束代替封装结构并对轨道与电枢进行仿真计算,分析在电磁力和电阻热的作用下,轨道的扩张和电枢的扩张,并通过对比轨道在有电枢与没有电枢的情况下扩张量的差别来计算电枢发射过程中枢轨之间的压力;对不同结构的电枢进行电-磁-热-变形耦合分析,根据电枢发射过程中枢轨接触压力和Marshall法则对比来分析各种结构电枢的性能。

关键词：增强型电磁轨道炮多物理场耦合仿真分析电流密度趋肤效应温度接触压力 Marshall法则

增强型电磁轨道炮导轨的多场耦合分析与结构优化

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增强型电磁轨道炮导轨的多场耦合分析与结构优化

作者：王烝西安建筑科技大学

学位级别：硕士

电磁轨道炮具有发射速度快、可操控性能好等优点,在军事、民用等领域有巨大的应用潜力。电磁轨道炮在发射时,导轨和电枢会产生烧蚀、变形等现象,关系到轨道炮的效率、寿命和精度等性能,因此为了研究轨道炮在不同物理场下的变化规律,需... 详细信息

电磁轨道炮具有发射速度快、可操控性能好等优点,在军事、民用等领域有巨大的应用潜力。电磁轨道炮在发射时,导轨和电枢会产生烧蚀、变形等现象,关系到轨道炮的效率、寿命和精度等性能,因此为了研究轨道炮在不同物理场下的变化规律,需要建立相关的理论来指导工程实践。本文以增强型电磁轨道炮为研究对象,对轨道炮导轨进行了电磁-温度-结构三维耦合仿真分析。分析过程中考虑了接触电阻热和摩擦热的瞬态特性,通过电枢位移与时间的关系,对导轨进行分段建模,计算了导轨在不同热载荷下的瞬态温升分布以及瞬态力学分布,并对增强型电磁轨道炮导轨结构进行优化设计。首先,建立了增强型电磁轨道炮的有限元仿真模型,根据电枢所受洛伦兹力、电磁压力、摩擦系数以及电枢质量等参数计算得到轨道炮电枢运动结果,通过Maxwell软件对增强型电磁轨道炮进行瞬态电磁场仿真计算,分析了在脉冲电流峰值时刻轨道炮的电流密度分布与磁感应强度分布,为多物理场耦合仿真提供初始条件。然后,对增强型电磁轨道炮枢轨接触面间接触电阻产生的热量与摩擦过程产生的热量进行计算,通过ANSYS Workbench软件对增强型电磁轨道炮导轨进行电磁-温度耦合仿真,计算分析了在电枢出膛时刻增强型电磁轨道炮导轨的瞬时温升分布,并对在空气中自然冷却后的导轨温度分布情况进行了研究,提高了导轨瞬态温升分布预测的准确性。其次,将电磁场和温度场的计算结果与结构场耦合,并将封装结构用弹性约束代替对增强型电磁轨道炮导轨进行仿真计算,分析了在电磁力和不同热源作用下导轨的瞬态扩张量分布,对导轨的热应力以及在热应力作用下的形变量进行计算,并对导轨的瞬态动力学响应进行了分析,提高了导轨瞬态扩张量分布预测的准确性。最后,对增强型电磁轨道炮不同截面形状的导轨进行电磁-温度-结构耦合分析,根据电枢发射过程中导轨的电流密度分布情况、导轨的瞬时最高温度以及瞬态最大扩张量来对比分析各种结构导轨的性能。研究发现凸轨可以有效改善导轨局部高温、变形等问题,故在此基础上,基于正交试验设计方法,选取轨道炮导轨结构关键参数进行优化设计,优化后导轨的电流集中情况、瞬时温度最大值以及变形情况得到了有效改善。

关键词：增强型电磁轨道炮导轨接触电阻瞬态摩擦多场耦合数值模拟

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增强型电磁轨道炮主体结构的动力学分析

增强型电磁轨道炮主体结构的动力学分析

作者：吴鹏燕山大学

学位级别：硕士

随着科学技术的迅速发展，传统的火炮由于各种固有因素的限制，已很难满足人类对发射的超高速、超高动能等更高要求。电磁轨道炮是一种先进的动能发射装置，利用电磁系统中电磁力，能在短时间内将物体加速到更高的速度，可大大提高发射... 详细信息

随着科学技术的迅速发展，传统的火炮由于各种固有因素的限制，已很难满足人类对发射的超高速、超高动能等更高要求。电磁轨道炮是一种先进的动能发射装置，利用电磁系统中电磁力，能在短时间内将物体加速到更高的速度，可大大提高发射体的速度和射程，在军事、航空航天、科研等领域有着极为广泛和深远的应用前景。本文以两匝轨道的平面串联增强型电磁轨道炮为研究对象，运用理论分析和有限元法对轨道炮进行动力学分析。论文首先分析了增强型电磁轨道炮的基本原理，根据磁场叠加原理和毕奥-萨法尔定律分析了电枢的电磁力和导轨承受的移动电磁载荷，建立了整个发射过程中电枢的动力学方程，利用龙格库塔法对动力学方程进行了求解，分析了电流参数和导轨结构参数对电磁轨道炮性能的影响，并研究了导轨结构参数对导轨电磁力的影响。其次，利用电磁场仿真软件Ansoft Maxwell建立了电磁轨道炮的仿真模型，并进行了求解分析，得到了增强型电磁轨道炮的电流密度和磁感应强度分布图，同时对电枢和内外导轨所受电磁力进行了数值模拟分析，并与理论计算结果进行了对比，验证了电枢和内外导轨电磁力的分析结果。最后，利用ANSYS Workbench软件对增强型电磁轨道炮的主体结构进行动力学分析，得到了电磁炮主体结构的等效应力和变形分布情况。基于动力学分析结果，采用正交试验设计方法，对轨道炮固定结构的尺寸参数进行优化，使优化后固定结构的最大等效应力和变形情况得到有效改善。

关键词：增强型电磁轨道炮动力学方程电磁场仿真动力学分析正交试验设计

基于VMD-OptShrink的增强型电磁轨道炮炮口电压噪声压制及应用

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强激光与粒子束 2023年第7期35卷 166-172页

作者：闫杰李菊香陈毅王毅叶蔚生西北机电工程研究所陕西咸阳712099

利用电磁轨道炮炮口电压测量信号可以计算出发射过程中滑动电枢与铜轨道表面的接触电阻以分析接触特性。由于发射器增强轨道的特殊结构会产生幅值很大的反向感应电动势,且存在脉冲形成网络的放电时序问题,导致检测到的炮口电压波形会受... 详细信息

利用电磁轨道炮炮口电压测量信号可以计算出发射过程中滑动电枢与铜轨道表面的接触电阻以分析接触特性。由于发射器增强轨道的特殊结构会产生幅值很大的反向感应电动势,且存在脉冲形成网络的放电时序问题,导致检测到的炮口电压波形会受到系统噪声的干扰,难以准确计算出接触电阻。针对此问题,提出一种基于VMD-OptShrink的炮口电压系统噪声压制方法去除炮口电压中的锯齿状噪声,该方法首先利用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)可实现依据频率特性进行信号时域分解的特点,对炮口电压信号进行时频域的模态分解,然后在时频分解域内利用OptShrink对分解信号进行低秩成分提取,得到去噪后的炮口电压,最终解算出接触电阻用于分析轨道炮枢轨接触特性。试验结果表明,该方法可以很好地压制炮口电压系统噪声,计算出的枢轨接触电阻波形光滑,有利于分析枢轨接触特性;枢轨接触电阻在发射初期变化剧烈,迅速降低,之后呈现缓慢波动上升的特点,直至电枢滑动出炮口接触电阻骤增。该分析方法对工程中电磁轨道炮发射状态监测提供了一种新的可靠参考。

关键词：增强型电磁轨道炮炮口电压枢轨接触电阻变分模态分解

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增强型电磁轨道发射器的电磁场仿真分析

高电压技术 2014年第4期40卷 1065-1070页

作者：徐蓉袁伟群成文凭严萍李军中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室北京100190 北京特种机电技术研究所北京100012

为了分析增强型电磁轨道发射器的电磁场分布和电感梯度的影响因素,介绍了增强型电磁轨道发射器的基本原理,建立了2对导轨结构的增强型电磁轨道发射器的3维电磁场仿真模型,利用ANSOFT电磁场有限元分析软件对不同几何参数轨道炮的电磁场... 详细信息

为了分析增强型电磁轨道发射器的电磁场分布和电感梯度的影响因素,介绍了增强型电磁轨道发射器的基本原理,建立了2对导轨结构的增强型电磁轨道发射器的3维电磁场仿真模型,利用ANSOFT电磁场有限元分析软件对不同几何参数轨道炮的电磁场进行了仿真,给出了不同条件下的磁场和电流密度分布图,对其电感梯度进行了计算,并总结了几何参数对电感梯度的影响规律。仿真结果表明,在综合考虑导轨的机械和热承受能力的前提下,增强型电磁轨道发射器的内外导轨间距越小,电感梯度越大;导轨的厚度越小,电感梯度越大。与单对结构相比,该结构能够提高轨道电磁发射器的电感梯度1倍以上。

关键词：电磁发射增强型电磁轨道炮电感梯度有限元电磁场电流密度

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基于B探针的膛内电枢速度测量系统研究

兵工学报 2014年第6期35卷 762-768页

作者：刘福才李欢王大正王振春何锁纯燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室河北秦皇岛066004 北京航天计量测试技术研究所北京100076

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... 详细信息

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。

关键词：电磁学增强型电磁轨道炮膛内速度 B探针固体电枢