【《电磁发射系统线圈式发射部有限元仿真分析案例》4300字】

电磁发射系统线圈式发射部有限元仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23252电磁发射系统线圈式发射部有限元仿真分析案例 156761.1电炮发射部有限元仿真 17621.1.1导轨式发射部有限元仿真 183191.1.2重接式发射部有限元仿真 468661.2线圈式发射部建模及参数设计 5305041.2.1线圈式发射部建模 5298001.2.2线圈与抛体偏移结果分析 8105781.2.3线圈式发射部参数设计 11Maxwell2D是功能强大，准确且易于使用的二维电磁场有限元分析软件。通常在电磁对象满足轴向均匀性或RZ对称性的条件下使用。它包括AC/DC磁场，静电场和瞬变电磁场，温度场分析，参数化分析和优化功能。此外，可以生成高精度的等效电路模型，以供Ansoft的SIMPLORER模块和其他电路分析工具使用。Maxwell2D提供了向导式的用户界面，精确驱动的自适应细分技术以及强大的后处理功能。这使得用户使用起来更方便，更容易。1.1电炮发射部有限元仿真1.1.1导轨式发射部有限元仿真轨道型电磁发射系统是一个非常复杂的系统。在整个发射流程中，电磁轨道炮的工作过程分为三个阶段：储能阶段、发射阶段、反馈阶段。这里以利用惯性储能技术制作的高功率脉冲电源来驱动的电磁轨道炮为例，为导轨式电磁发射系统的发射部建立模型。电磁轨道炮在发射时需要系统为其提供庞大的能量，一般的处理方式为必须在每次发射前存储足够的能量。现如今要求电磁轨道炮具备一定的机动性能，因此轻量型高功率脉冲电源及其储能技术成为电磁轨道炮发展研究中的重要一环。同时带动了基于惯性飞轮储能的补偿式脉冲交流发电机技术的研究并且成为时下较为热门的研究方向。当电磁轨道炮处于发射阶段时，系统中的电力控制系统向电源储能模块发出指令，触发脉冲电流放电，将高功率脉冲电流通过平行金属轨道及电枢组成的通电回路进行释放以形成电磁力推动射弹进行运动，将电磁能转化为射弹和电枢的动能，将射弹发射出轨道。在发射阶段，电磁轨道炮系统的发射部处于多种物理场的共同作用下，对平行金属导轨的结构以及材料无疑是一个巨大的考验。但是无论如何，电磁轨道炮将射弹射出后，平行金属导轨内仍会储存有很大数量级的电流，将会形成强大的电磁场，在这个阶段这些电磁场能量如果不以合理的方式释放，将很容易在炮口形成高压电弧以至于击穿炮体，损坏发射部部件，降低电磁轨道炮发射寿命，导致在整个生命周期内电磁轨道炮对能量的利用效率大幅度降低。为了降低这种情况的发生概率，必须设计一个合理的装置，使射弹离开炮口后电路立即处于关断状态，此时通过控制系统控制多余的电磁能以电流的形式通过回路进入循环中一般提高能量的利用效率，例如利用电力电子设备对残留电流进行转换，存储到储能系统中，如此循环往复。根据简单电磁轨道炮的基本原理，我们可得到如下的简化图3-1：图3-1电磁轨道炮基本模型根据简单电磁轨道炮的基本原理，我们可得到如下的简化图3-2：图3-2电磁轨道炮电路基本模型电磁轨道炮是一个复杂的系统，为了能将其进一步的分析，我们往往对其进行简化，得出其简化模型。在建模中忽略速度趋肤效应的影响。图3-3轨道及电枢网格图图3-4铁材料轨道磁场分布图1.1.2重接式发射部有限元仿真对于重接型电磁发射系统的建模存在以下两个方面的难点：第一，射弹的发射过程是一个波动的过程，电磁线圈和射弹的状态每时每刻都在发生着改变，无法用稳态公式来描述这种连续波动的情况；第二，电磁驱动线圈中的电流表现为振荡形式，并非一个标准的正弦波。因此，基于这两个问题，本节所做重接式电磁发射系统发射部的电磁场仿真是对射弹运动到某一时刻的运动状态进行分析。在Maxwell中建立模型如图3-5所示，该模型包括电磁驱动线圈和射弹电枢，其中电磁驱动线圈和射弹电枢的距离为1.5mm。在仿真计算中求解器选择三维涡流场求解，边界条件选择辐射边界条件，这是为了防止求解区域外对区域内部的影响，以避免波在界面发生反射。对于抛体电枢以及驱动线圈的表面的边界条件选择系统默认的自然边界条件： （3-1）其中和分别为分界面处磁场强度的切向分量和磁感应强度的法相分量，为表面电流密度。图3-5重接型发射部模型1.2线圈式发射部建模及参数设计1.2.1线圈式发射部建模线圈式电磁炮早期被称为“同轴发射器”、“质量驱动器”或“行波加速器”其基本原理概括起来就是带电优良导体或具有磁性的物体在磁场中受到电磁力的作用被向前推动。如图3-6所示。图36线圈式电磁炮示意图线圈式电磁炮主要由炮体和射弹两部分组成。炮体是由多个固定的电磁线圈组成，被称之为定子线圈，而射弹是由电磁线圈或磁性材料等与有效战斗载荷组成。在图3-7中，定子线圈被波动的电流激励而产生变化的磁场，若此时射弹是一种具有铁磁性的材料，则很容易被此磁场磁化。从而向右前方运动。图37抛体在单个线圈中的受力当电枢位于定子线圈的左侧时，两者相吸即射弹此时受到了来自右边的吸引力。此时此力为加速力；当射弹通过定子线圈的中心横截面以后，两者相排斥，即抛体受到了来自左边的吸引力，此时此力为减速力。若此时切断定子线圈的电流使电枢不受减速力，就可以达到向前加速的目的。以射弹水平发射为例，建立射弹在进行电磁发射时发射回路的电学模型。可以将实际电路简化至图3-8所示。电路图中给电容充电部分电路未画出，一般开关选择晶闸管或者IGBT元件。图3-8线圈式电磁发射装置电路简化示意图电路存在如下三种状态：电路状态1-充能：电容元件充电储能、光电开关K断开，定子线圈中无电流、装填物处于预定位置。电路状态2-放电：光电开关K打开，电路导通，电容放电，定子线圈电流瞬间增大、周围产生变化磁场。开关K导通时，由基尔霍夫电压定律可得到： （3-2） （3-3）又 （3-4）由（3-2）（3-3）代入（3-4）式整理得到 （3-5）电路状态3-发射：铁质射弹产生感应电流，受电磁力作用，开始运动。直至射出炮口。关断光电开关K。电路续流二极管导通，续流二极管支路电阻消耗能量，直至消耗结束。以水平发射为例，建立射弹电磁发射时的动力学模型。可以将射弹看作是质量为m的刚体。假设射弹在电磁发射阶段作加速度大小为a匀加速直线运动，经过时间t后，当发射阶段结束后，此时射弹的运动速度大小为V，助推距离（电磁发射行程）为X，重力加速度为g。射弹水平发射电磁发射过程如图3-9所示。图3-9水平电磁发射示意图根据物体的运动学，装填物的加速度： （3-6）装填物的速度： （3-7）装填物的位移： （3-8）装填物在发射阶段所受到的力有：电磁线圈作用在装填物上的电磁推力F，空气阻力r和导轨的摩擦力f。根据牛顿第二定律： （3-9）最后对电磁模型和运动模型联合分析，对（6-9）式整理得到电磁发射装置进行抛体运动的微分方程： （3-10）用有限元法进行磁场数值计算的第一步是建立计算模型，就是确定需要进行计算的磁场的区域。模型建立的正确与否不仅直接关系到计算结果的准确性，而且也关系到计算的速度。一般说来，模型当然是实体模型即三维模型最能代表实际情况，但是由于三维模型的建模比较复杂，而且计算工作量比较大，在有些情况下三维模型并不是最好的模型。考虑到单级线圈炮是一个轴对称形状，因此可以用二维轴对称模型如图3-10.图3-10二维轴对称模型1.2.2线圈与抛体偏移结果分析图3-11给出的是当射弹位于线圈远处、入口和中部处时的磁通线及磁感应强度分布图。从磁通线分布图可以看出，当射弹远离定子线圈时穿过射弹的磁通线很少，射弹两个端面的磁通量差也很小，故其受力也很小；当逐渐到达入口处时，穿过的磁通线急剧变多，射弹两个端面的磁通量差越来越大，则受力也急剧变大；当完全进入定子线圈后，管内的所有磁通线都穿过了射弹，射弹两个端面的磁通量差重新变得很小，因此受力又重新变小。这表明在射弹从远离驱动线圈到最后完全进入驱动线圈的过程中，射弹的受力有一个最大值，此时，射弹两个端面的磁通量差最大。从磁感应强度分布图中可以看出，随着射弹进入定子线圈，其B越来越大，也就是说系统总能量也越来越大，在完全进入定子线圈后系统的能量达到最大。图3-11磁感应强度分布图由于在电容器电容量恒定的情况下，电容器的储能与电容器的充电电压的平方成正比，所以电容器的充电电压越高的话，射弹的最后出口速度也就越大。图3-12、3-13是在储能电容器的电容量为800uF，射弹质量为20g的情况下，射弹的出口速度、效率与储能电容器充电电压关系。由图3-13可以看出，射弹的速度随着储能电容器充电电压的增加而几乎线性地增大。但是，从图3-14可以看出，单级线圈炮的效率随着储能电容器充电电压的升高而下降。充电电压/V出口速度充电电压/V出口速度/ms-1图3-12单极线圈炮出口速度与充电电压关系效率%充电电压/效率%充电电压/V图3-13单极线圈炮效率与充电电压关系根据不同需求，利用电磁炮发射物体时，被发射体的质量差异很大。为此，针对不同射弹的质量对电磁炮发射效果影响及利用线圈炮发射大质量物体的可能性进行了仿真分析。图3-14、3-15给出了当储能电容器的电容量800uF、充电电压6500V时，射弹出口速度、效率与被发射体质量之间的关系。由图3-14可以看出，射弹的出口速度随射弹质量的增加而减小的速度较大。尽管这样，仍可以将大质量的物体发射到一定速度。若发射时采用多级线圈炮，则可以把大质量的物体加速到很高的速度。质量/kg质量/kg出口速度/ms-1图3-14单极线圈炮出口速度与质量关系效率%质量效率%质量/kg图3-15单极线圈炮效率与质量关系1.2.3线圈式发射部参数设计电磁炮简化模型由储能元件、发射线圈与金属弹丸组成，电磁炮发射时，储能元件向发射线圈馈入电流，在线圈中产生磁场，同时金属弹丸中感应生成电流，线圈中产生的磁场与弹丸电流相互作用，产生作用于弹丸上的洛伦兹力，用表示，表达式为： （3-11）其中，为洛伦兹力（弹丸受到的电磁推力），为磁感应强度，为导体的长度，此处即弹丸的直径。磁感应强度与电流关系为： （3-12） （3-13）其中，为电流密度，为弹丸磁导率，为弹丸横截面积。除此之外，电磁炮的一个重要参数是单位长度发射线圈的电感值，即电感梯度，记作。设电磁炮发射线圈的电感梯度值已知，则长度为的电磁炮线圈间的平均磁通量为： （3-14）平均磁感应强度为： （3-15）由于弹丸前部基本没有磁场，取作用于弹丸上的有效磁感应强度为这个值的1/2，与弹丸电流和弹丸直径相乘后，得到弹丸受到的电磁推力的另一表达式为： （3-16）金属弹丸在电磁推力的作用下沿轨道加速运动，其动力学方程为： （3-17）速度为： （3-18）设炮管仰角为，则水平方向分速度，垂直方向分速度为： （3-19） （3-20）设炮管距地面高度为，在不考虑空气阻力的情况下，弹丸落地时间为： （3-21）弹丸落地距离为： （3-22）根据法拉第定律（），电路中的电压等于电路磁通量的变化率，即有： （3-23）在炮管距地面高度一定的情况下，由式（3-22）可知，弹丸落地距离只与弹丸出膛速度和炮管仰角有关，由式（3-23）所知，弹丸出膛速度与电压成