【摘 要】
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电磁轨道炮将电磁能转化为瞬时动能,相较于传统火药发射赋予弹丸更大的速度,是目前世界各国研究的热点。其发射是一个多物理场耦合的动力学过程,存在电、磁、热、结构多个物理场,并且只通过试验很难准确测量各种参量以及耦合的关系,因此本课题采用有限元法对电磁轨道炮的发射过程、耦合机理开展研究,分析电枢、轨道及弹丸的电流密度、温度、结构应力的时空分布规律,同时针对不同枢轨结构的轨道炮分析其对发射性能的影响,为电
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电磁轨道炮将电磁能转化为瞬时动能,相较于传统火药发射赋予弹丸更大的速度,是目前世界各国研究的热点。其发射是一个多物理场耦合的动力学过程,存在电、磁、热、结构多个物理场,并且只通过试验很难准确测量各种参量以及耦合的关系,因此本课题采用有限元法对电磁轨道炮的发射过程、耦合机理开展研究,分析电枢、轨道及弹丸的电流密度、温度、结构应力的时空分布规律,同时针对不同枢轨结构的轨道炮分析其对发射性能的影响,为电磁轨道炮设计提供仿真建模与分析的方法。具体研究内容如下:首先,基于电磁轨道炮原理建立了轨道炮的三维仿真模型,仿真分析了发射过程中各部件电流密度、磁场强度、温升分布与变化规律,结果表明,轨道的电流密度与磁场强度集中分布在轨道内表面与侧面处,电枢集中于喉部;电枢与轨道的温度在电流上升段急剧增加,之后缓慢波动至平稳,温度场对轨道与电枢影响较大,可能会造成烧蚀、磨损等情况,而对弹丸影响很小。在此基础上,基于弹丸动力学方程建立了轨道炮三维动力学模型,分析了发射过程中各部件应力、应变、变形量的分布与变化规律,结果表明,弹丸所受应力、应变及Y、Z方向上形变变化规律与电流激励曲线相似,同时弹体所受应力未超过其强度极限,说明耦合条件下弹丸强度能满足要求。针对不同枢轨结构的轨道炮对其发射性能的影响进行了设计与仿真,凹面电枢枢轨结构能使得轨道、电枢在发射过程中温度更低且弹丸受力及变形更小,更有利于弹丸的稳定发射及延长轨道使用寿命。本文研究成果可应用于电磁轨道炮发射过程中电磁力作用、动力学过程及发射强度仿真,所采用的研究方法对电磁轨道炮多物理场耦合仿真具有实用的参考价值。
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