块状固体电枢非稳态电磁效应的三维数值模拟

建立了电磁导轨炮块状电枢三维非稳态电磁扩散效应计算模型,运用有限差分法耦合计算了电磁场与温度场,得到了导轨及电枢内部磁感强度、电流密度和温度分布.数值计算结果表明,电枢运动会引起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,使电枢尾部焦耳热剧增并导致高温烧蚀.与二维模型相比,三维模型能更加真实地反映电磁导轨炮发射过程中导轨和电枢中的物理现象,对理论和试验研究有指导作用.     

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。     

考虑接触电阻的电磁发射装置温度场分析

为考察接触电阻对电磁发射装置性能以及结构的影响,对C型电枢发射装置进行三维有限元模拟。应用CLM法计算出接触表面的接触电阻,分别对理想接触和考虑接触电阻的电磁轨道发射进行电磁场和温度场计算,对比分析接触电阻对发射装置温度场的影响。结果表明:接触压力不均,造成接触面各部分的接触电阻差异较大;电枢和导轨的高温区分别集中在尾翼和轨道两侧的棱角处;接触电阻使枢轨温升明显,造成局部高温,证实接触电阻是导致发射装置熔化烧蚀的主要原因之一。     

复合型电磁轨道的多物理场耦合分析

电磁轨道炮在发射时,轨道和电枢均处在强电磁场中,电枢和轨道局部处在高温和高压力作用下,且各物理场间相互耦合作用。分析轨道在耦合场作用下的温度分布和应力分布是十分重要的。在分析了电磁轨道炮发射状态下的电磁场、温度场和机械场的多物理场条件的基础上,给出了相应的控制方程,建立了铜基复合型轨道在发射状态下的电磁、热、机的耦合场的三维计算模型,计算了发射状态下复合轨道的电流密度分布、温度场和应力场,分析了轨道基层、轨道复合层以及电枢温度分布的特征,讨论了影响轨道内侧表面应力分布的因素。     

固体电枢非稳态电磁场和温度场的数值计算

根据麦克斯韦方程和热传导方程，建立电磁导轨炮固体电枢二维非稳态计算模型。运用有限差分P—R算法进行耦合求解，定量分析铜、铝块状、U形电枢内部磁感强度和温度分布。数值计算结果表明，在相同时刻，U形电枢比块状电枢的整体温升低，由于U形电枢的外形特点，在转角位置有局部高温出现；同时由于铜铝材料物理性质的差别，铜电枢比铝电枢发生熔融烧蚀的时间推迟。这说明与导轨具有良好接触的U形铜电枢是较好的选择。数值计算结果为固体电枢的结构设计和材料选择提供理论依据。     

等离子电枢轨道炮烧蚀导轨的测试分析

对试验的ＥＭＧ导轨烧蚀进行了测试，分析与讨论，研究表明具有前级加速装置和等离子电枢ＥＭＧ导轨烧蚀包括弹丸偏心撞击坑，引弧时的局部灼坑及稳定弧的均衡烧灼三部分。对此提出了导致导轨烧蚀与表层屠地等离子电枢结构模型，它包含主电枢与中性气化区，兆安级电流的主电枢具有５×１０＾８Ｗ量级的功率是导轨烧蚀的主导因素，中性气化区对导再涂是导轨表层改性的根本原因。     

接触电阻对电磁轨道炮电磁场影响分析

为考察接触电阻对电磁发射性能的影响,对矩形截面的铜导轨和C形铝电枢组成的发射装置进行三维有限元模拟。根据电枢与导轨间接触压力计算枢轨表面接触电阻,分别对考虑接触电阻下和理想接触下的电磁轨道发射装置进行电磁场计算,分析接触电阻对于电磁发射装置的影响。计算结果表明:接触电阻急剧增加又急剧减小到最小值后,随着电流的减小又逐渐增加;接触电阻对于发射方向洛伦兹力没有影响,接触电阻改变了枢轨接触表面的电流密度的最大值和分布,但对于电枢喉部电流密度的最大值和分布没有影响。     

H形固体电枢形状设计及接触应力分析

电枢作为电磁轨道炮的核心部件之一,它的设计与改进一直在发展电磁发射装置中占据重要位置。考虑力学和电磁场的要求,建立了电枢形状的控制方程;并对由控制方程确定的电枢力学模型进行了有限元分析,由计算结果对力学模型进行了改进。改进模型的计算结果表明,新型H形电枢的变形以及应力状态满足结构设计要求,同时电枢与轨道之间的压力也能够保证导轨与电枢的良好接触。     

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。     

轨道推进器瞬态电磁场有限元分析

利用ANSYS软件建立了块状电枢轨道推进器三维瞬态电磁场的有限元模型,计算得到了两轨道和电枢内的电流场分布.结果表明,在几毫秒内,电流趋向导体表面流动并在电枢尾部与轨道接触处集中,电流线聚集是引起轨道和电枢之间放电烧蚀的主要原因.同时根据有限元计算得到了推进器周围以空气为介质的磁场分布,结果显示,磁场主要集中分布在靠近电枢尾部一侧的两轨道间,并向后延续到约等于4倍口径的长度,电枢处是磁场激增区域.上述结论对电磁推进器的优化设计有重要参考意义.     

电磁轨道发射器数值模拟与速度测量

为研究电磁轨道发射器电磁场、温度场特性并且预测发射器性能,建立电磁轨道发射器计算模型,针对矩形电枢普通发射器、C形电枢普通发射器和增强型发射器,采用有限元方法进行求解得到电磁场、温度场和电枢运动过程,并讨论了电枢快速运动产生的速度趋肤效应和发射器结构对磁通密度、电流密度、温度和出口速度的影响。使用增强型电磁轨道发射器进行发射试验,利用高速相机测量电枢出口速度,与数值模拟结果进行对比,验证了计算模型的准确性。     

飞行器气动加热烧蚀工程计算

高超声速飞行器设计时,为了对防热层气动热烧蚀情况及温度场进行快速预估,提出了集成气动热、材料烧蚀、瞬态温度场的耦合计算方法。通过算例对计算方法和程序进行了验证,表明该方法具有较高的效率和精度。在给定弹道条件下,实现了气动热、热防护材料烧蚀性能和弹体温度场耦合计算。通过该方法可以在高速飞行器设计阶段,快速计算出指定飞行工况下的防热材料烧蚀情况及温度场分布,为飞行器热防护层设计提供依据。     

抑制放电烧蚀的轨道发射器结构设计及有限元模拟

影响轨道发射器进一步发展的主要技术障碍之一是电枢和轨道之间的放电烧蚀。文中从简单轨道发射器的结构组成和烧蚀形成机理入手,分析了引起简单轨道发射器烧蚀的原因,提出了通过改变轨道发射器的结构来抑制导轨烧蚀的方法,设计了一种多层轨道电枢结构的轨道发射器方案,并对其进行了ANSYS有限元模拟。模拟结果显示该方案能够较好的解决电磁轨道发射过程的烧蚀问题。     

动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分析

针对动态条件下电磁轨道炮膛内磁场和电场分布特性研究缺乏的问题,提出一种数值计算方法。基于磁扩散方程和安培定律,利用测得的动态实验数据和炮尾处磁通密度值,通过有限元计算,确定电枢区域和导轨区域的电流密度值;进一步计算得到电枢前端及后端中轴线各考察点磁场和电场分布特性。结果表明：随着与电枢距离的增加,各考察点峰值磁通密度逐渐减小,电枢前端各点衰减速度远大于后端各点;炮口时刻各考察点峰值电场值为膛内发射过程的数倍。提出的方法能够有效计算轨道炮智能炮弹部位感应电场和磁场,计算结果有助于智能炮弹电磁屏蔽设计。     

电磁轨道炮瞬态磁场测量与数值模拟

为研究电磁轨道炮的磁场特性,建立三维瞬态电磁场计算模型,采用时域有限元/边界元耦合方法进行求解,获得了电枢的膛内运动过程,以及电流密度和磁通密度的时空分布,讨论电枢与轨道间的滑动电接触在电流扩散过程中产生的速度趋肤效应。在发射实验中,用B探针测量电枢运动及磁场,分析了发射过程中的瞬态磁场变化特点,与数值模拟结果进行对比,验证了电磁轨道炮三维瞬态电磁场计算模型的有效性。     

静止条件下轨道炮电流分布特征仿真

目前电磁轨道炮研究的主要问题之一是发生在轨道和电枢之间的放电烧蚀。造成烧蚀的主要原因是轨道和电枢中电流分布的不均匀性。针对静止条件下5种典型的轨道-电枢结构,采用Ansoft12有限元分析软件,对比仿真分析了电流密度分布,结果表明:跑道截面轨道-马鞍体结构电枢的轨道炮具有最均匀的电流密度分布现像;矩形截面轨道-长方体结构电枢的轨道炮具有最大的不均匀电流分布特征。上述结论对抑制放电烧蚀、改善刨削和延长轨道使用寿命等方面有重要参考意义。     

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.     

考虑电枢与导轨实际接触状态的电磁轨道炮膛内磁场分析

针对电枢与导轨(简称枢轨)实际接触条件下电磁轨道炮膛内磁场研究缺乏的问题,从小口径C型电枢轨道炮出发,根据静止状态下枢轨实际接触产生的电枢电流密度分布,利用数值计算和有限元仿真对电枢前端中轴线上各考察点磁通密度进行分析,结果与试验值基本吻合。在此基础上,利用模化方法,对电枢运动条件下轨道炮膛内磁场分布特性进行了分析,结果表明：在满足一定相似关系的基础上,可以实现不同口径轨道炮电枢速度和膛内磁场的近似模化;各考察点峰值磁通密度随着与电枢距离的增加而迅速衰减,距离电枢曲率圆心2倍口径考察点的磁通密度仅为1倍口径点的27.4%左右;研究结果有助于智能弹药的电磁屏蔽设计。     

导轨炮固体电枢设计与实验研究

在分析固体电枢结构和电热特性基础上进行了设计与实验，实验结果表明，在高速时导轨有轻微烧蚀，电驱弧压很低为５０－１００Ｖ，并由于初速不同转捩速度亦不同，     

高超声速飞行器烧蚀后退量时序提取及基于神经网络的预测

为了观测高超声速飞行器头部模型在高温流场下的烧蚀现象,在电弧风洞上开展了热考核试验,基于电荷耦合器件相机图像比色测温方法,获得电弧风洞烧蚀模型表面温度随时间演化数据。通过追踪模型边缘温度场变化,给出模型烧蚀过程中形变过程,提取驻点及其他边缘点后退量随时间变化数据。利用最小二乘法和长短期记忆（LSTM）网络方法对烧蚀后退量数据进行拟合与预测,其中LSTM方法主要包括网络结构设计、模型训练、目标函数设定和预测过程的算法实现等。高超声速飞行器烧蚀模型不同位置后退量时间序列预测与试验对比发现：最小二乘法主要适合烧蚀后退量为线性区域的拟合与预测;LSTM方法不但适用于烧蚀后退量线性区域,还适合于端头边缘烧蚀后退量非线性变化区域数据的拟合与预测。