基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析_杜翔宇.pdf

第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 05 18;修回日期:2022 06 13作者简介:杜翔宇(1998)，男，硕士研究生，E-mail:dxy051603163 com。通信作者:刘少伟(1979)，博士，副教授，E-mail:lsw3721163 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304016基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析杜翔宇1，刘少伟1，关娇2(1 空军工程大学 防空反导学院，西安710051;2 空军工程大学 信息与导航学院，西安710051)摘要:电磁轨道发射器的工作过程涉及复杂的多物理场耦合现象，仅通过解析计算难以实现对电磁轨道发射器性能的全面分析。为了对电磁轨道发射器的动态发射过程进行研究，以四极凸轨道电磁发射器作为研究对象，建立了瞬态电磁 热 结构多物理场耦合仿真模型，采用 CLM 模型模拟发射过程中过盈电枢与轨道的电接触现象，得到了发射器工作过程中电枢、轨道受力随时间变化情况和电磁场、应力、温度分布。研究结果表明，发射器电枢、轨道受力的变化趋势与激励电流的变化趋势接近，趋肤效应和速度趋肤效应会引起受力的削弱。电磁力会改变接触面上的压力分布，改善枢轨接触状态，进而改变接触区域的电流分布。发射过程中，由于摩擦力作用，温升最大处位于电枢臂尾端而电流密度最大值出现在电枢喉部。所做的研究对了解发射器的动态发射过程及发射过程中的多物理场耦合机理具有一定参考意义。关键词:电磁轨道发射器;多物理场耦合分析;动态发射过程;数值模拟本文引用格式:杜翔宇，刘少伟，关娇 基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):112 120Citation format:DU Xiangyu，LIU Shaowei，GUAN Jiao Performance analysis of quadrupole electromagnetic railgunlaunchers based on muti-field coupling simulation J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):112 120中图分类号:TJ399;TM89文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0112 09Performance analysis of quadrupole electromagnetic railgun launchersbased on muti-field coupling simulationDU Xiangyu1，LIU Shaowei1，GUAN Jiao2(1 College of Air Defense and Anti-Missile，Air Force Engineering University，Xi an 710051，China;2 College of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi an 710051，China)Abstract:The working process of electromagnetic railgun launchers involves complex multi-field coupling，and it is difficult to analyze their performance only through analytical calculation In order to study thedynamic launching process of an electromagnetic railgun launcher，this paper establishes a simulationmodel of transient electromagnetic-thermal-structural multi-field coupling by taking a quadrupole convexelectromagnetic railgun launcher as the research object The CLM model is used to simulate the electricalcontact between the interference armature and the rails during the launching process The variation ofarmature and rail force with time and the distribution of the electromagnetic field，stress and temperatureduring the launching process are obtained The research results show that the change trend of the armatureand rail force is close to that of the excitation current，and the skin effect and the velocity skin effect willcause the weakening of the force The electromagnetic force will change the pressure distribution on thecontact surface，improve the contact state of the pivot rail，and then change the current distribution in thecontact area During the launching process，due to the action of friction，the maximum temperature rise isat the tail of the armature arm while the maximum current density appears at the armature throat Theresearch has some reference significance for understanding the dynamic launching process of the launcherand the multi-field coupling mechanism in the launching processKey words:electromagnetic railgun launcher;muti-field coupling analysis;dynamic launching process;numerical simulation0引言电磁轨道发射器是一种借助电磁力做功的新概念发射方式，具有动能大、初速高等优点，被认为是未来军事领域发射技术发展的方向。但在电磁轨道发射器走向工程化的过程中，仍然面临许多问题，其中最重要的 2 个问题分别是高速滑动条件下的接触失效问题和复杂的多物理场现象相互耦合问题。针对这 2 个问题，国内外许多学者进行了针对性研究。对于接触问题，朱仁贵等1 研究了过盈配合对枢轨初始接触特性的影响;冯登等2 研究了接触压力的分布特性;朱春燕等3 通过实验分析了发射过程中接触电阻的变化;Hsieh 等4 研究了接触电阻与接触压力的关系。这些研究结果表明，为了保证电枢在高速状态下稳定运行，必须采用枢轨无间隙过盈配合方式，这就导致电磁轨道发射器工作过程中恶劣的接触状态难以避免，只能通过合理的结构设计改善。对于发射器多物理场耦合问题，Lin Qinghua 等5 开发了场路耦合条件下电磁轨道发射器的多物理场求解器;Yin等6 对简单 C 形电枢的膛内电磁特性进行了研究;Galanin等7 基于准静态磁场对电磁轨道发射器的工作过程进行了仿真;Kim 等8 研究了发射器的电流分布与电感梯度;LiBaoming9 对增强型电磁发射器的电-热耦合特性进行了分析，还对发射器的大变形现象和损伤特性进行了研究10。上述研究结果表明，电磁轨道发射器的多物理场耦合现象极大影响发射器性能，采用合适的电磁轨道发射器结构确实能够达到改善接触特性的目的。本文设计了一种四极凸轨道电磁发射器结构，并基于电磁 热 结构耦合有限元 边界元仿真模型对其动态发射过程进行了研究，分析了电枢运动过程中的瞬态受力情况和接触特性、电磁特性、温度特性。1控制方程与模型参数本文中以螺栓预紧型四极凸轨道电磁发射器作为研究对象，图1(a)所示为电磁发射试验平台，图1(b)所示为发射装置本体。由于发射装置中无铁磁性材料，且支撑体、紧固件等部件均与发射器电枢和轨道保持绝缘，研究表明对发射器的多物理场耦合特性影响较小，因此本文在研究发射器多物理场耦合特性时，不对这些部件进行建模。图 1(c)所示为研究中采用的枢轨系统模型。图 1发射试验平台结构Fig 1 Structure of the launcher test platform模型中电枢与轨道的材料分别为 6061 铝合金和铬锆铜，模型具体参数见表 1 所示。表 1模型参数Table 1 Paramaters of the model参数数值轨道长度 l/mm271轨道基底宽度 w/mm26轨道最大厚度 h/mm14 5轨道密度 r/(kgm3)8 960轨道弹性模量 Er/Pa1 1 1011轨道泊松比 r0 35轨道电导率 r/(Sm1)6 1 107轨道热容 Cr/(JK1)385轨道热导率 r/(WmK1)410电枢长度 la/mm40电枢初始位置 m/mm50电枢尾翼过盈量 x/mm0 14电枢头部厚度 d/mm16 5311杜翔宇，等:基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析续表(表 1)参数数值电枢密度 a/(kgm3)2 710电枢弹性模量 Ea/Pa11电枢泊松比 a0 33电枢电导率 a/(Sm1)3 77 107电枢热容 Ca/(JK1)900电枢热导率 a/(WmK1)238电磁轨道发射器的工作过程涉及电磁场、温度场、结构场等复杂的多物理场耦合现象，伴随着电磁相互作用下的电磁感应与趋肤效应，电枢与轨道之间的电流传导，电枢运动过程中的摩擦热、焦耳热生成与传递，电枢与轨道受力状态下的接触与变形等。发射器工作过程中涉及的多物理场耦合关系如图 2 所示。图 2电磁轨道发射器中的多物理场耦合关系Fig 2 Coupling relation of multiple physical fields in railgun对于电磁场来说，由于脉冲电流频率较低，场强的变化与场源的变化之间几乎是无时延的，因此可以忽略传导电流，也就是说不考虑电场变化产生的磁场。基于该假设，采用磁矢势和电标势作为变量，可以将麦克斯韦方程组改写为:2A (At+)+v (A)=Js(1)(At +v (A)=0(2)式(1)称为磁场扩散方程，式(2)称为电流连续性方程。其中:A 为磁矢势;为电标势;、分别为材料的磁导率和电导率;JS为源电流密度;v 为导体运动速度。由于速度项 v的存在，方程的数值计算稳定性较差。因此采用拉格朗日坐标描述运动导体，在拉格朗日坐标下，速度项 v 将消失。进而，关系电磁轨道发射器性能的几个关键物理量即可求得:J=102A(3)Bx=Ay，By=Ax(4)对于电磁轨道发射器的一般工作环境，可以近似认为空气域不导电。因此空气区域的电磁场控制方程退化为拉普拉斯方程:2A=0(5)对于温度场，考虑热传导与热对流，其控制方程为:cTt=(kT)+Q(6)q=h(T Ta)(7)对于电磁轨道发射器而