增强型电磁轨道发射器的电磁场仿真分析

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。

增强型电磁轨道发射器重要参数分析及优化

为研究增强型电磁轨道发射器性能参数的影响并且预测发射器性能,建立了基于脉冲电源仿真模型、磁扩散方程有限元模型和运动学方程的增强型电磁轨道发射器计算模型。分析了轨道参数、电气参数和载荷质量对发射器出口动能和系统效率的影响;同时考虑出口动能和系统效率作为双目标,通过NSGA-Ⅱ优化算法对发射器的重要参数进行优化。结果表明:轨道长度、电容值和载荷质量对性能指标的影响是非单调的。优化模型能够有效求解增强型电磁轨道发射器重要参数的Pareto最优解集,为增强型电磁轨道发射器的优化设计提供理论依据和技术支持。

增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析

为研究增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度特性,建立增强型电磁轨道发射器2维仿真计算模型进行仿真分析。采用有限元方法,在500 Hz、1 MA正弦电流激励条件下,分析比较层叠增强型和平面增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度。结果表明:与普通轨道发射器相比,增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度有较大提升;增强型电磁轨道发射器轨道高度越低,磁场强度和电感梯度越大;增加辅助轨道层数能够提高增强型电磁轨道发射器的磁场强度和电感梯度。

电磁轨道发射器高速下电流密度场预测

通过有限元方法计算发射过程中电流密度场,是实现电磁轨道发射器结构精细化设计的必要条件之一,但存在计算时间长、高速计算困难甚至无法计算的问题。该文首先以激励电流、电枢电导率、轨道结构参数和时间t为输入,建立了基于条件生成对抗网络(CGAN)的电流密度场预测模型;然后,为提高对复杂场分布的预测能力,构建ResUnet-Trans网络作为CGAN的特征生成器;最后进行计算验证。以低速电磁轨道发射器实例验证模型内插预测精度,结果表明,模型在测试集上的平均绝对百分比误差(MAPE)小于1.5%;以高速电磁轨道发射器实例验证模型外推预测能力,结果表明,使用由低电导率向高电导率的迁移学习训练策略可以提高模型外推预测精度和泛化能力,在测试集上外推预测MAPE小于2.5%。该文提出的预测方法可实现电流密度场的秒级计算,为高速电磁轨道发射器的优化设计和数字化提供了一种新的思路。

电枢及导轨几何参数对电磁轨道发射器电感梯度的影响

电枢是电磁轨道发射器的关键部件,但以往对电感梯度的研究认为电枢距离炮尾部无穷远,忽略了电枢对导轨电感梯度的影响。为此,首先分别建立电磁轨道发射器的二维和三维模型,对比分析了无电枢部分导轨的电感梯度和电枢附近部分导轨电感梯度之间的差异;然后,基于有电枢的电磁轨道发射器三维模型,探究了U形电枢尺寸对电磁轨道发射装置电感梯度的影响。研究结果表明:随着导轨宽度,导轨间距,导轨厚度的增加,无电枢部分导轨的电感梯度和电枢附近部分导轨电感梯度之间的误差均逐渐增加;随着两种电枢宽度的增加,电磁轨道发射器电感梯度呈减小趋势,但变化量较小。

增强型电磁轨道发射技术现状及发展趋势

电磁发射技术是将电磁能转化为动能的新型发射技术,具有初速高、初速可调、性能稳定等优点。增强型电磁轨道发射技术是电磁轨道发射技术的重要分支,具有电感梯度高的显著优点,近年来成为电磁轨道发射的研究热点之一,理论研究和工程应用均取得了较大进展。文中主要介绍增强型电磁轨道发射技术的工作原理,分析近年来相关研究机构在建模、计算仿真、试验验证等方面的主要研究成果,总结并分析近年来国内外研究现状及进展。分析结果表明,增强型电磁轨道发射技术具有增加装置等效电感梯度、降低驱动电流幅值、提升内膛寿命、提高有效载荷比等优点,但也带来电子器件使用限制、装置复杂性和绝缘风险增加等问题,提出了场路耦合计算仿真、一体化绝缘、长寿命、大张力成型、弹炮匹配等关键技术,进一步厘清增强型电磁轨道发射技术和装置的发展及应用方向,加快推进其工程化应用进程。

增强型导弹四极场电磁轨道发射器研究

为满足导弹发射过程中大推力、高能量、特殊电磁环境的实际需求,降低驱动电流量级,提出了整体增强型导弹四极场电磁轨道发射器模型和分段增强型导弹四极场电磁轨道发射器模型。理论分析了 2种模型的能量转换效率,结合具体算例进行了对比说明;利用有限元分析法对导轨内电流分布、模型推力性能、发射组件受力特性进行了研究。结果表明:分段增强型的能量转换效率较整体增强型高,且随分段数目的增加而提高;在保护板作用下,2种模型中导轨内电流的邻近效应得以缓解;2种增强模型的推力大小相当,且较基本型均有较大提升,因而在保证所需发射推力的情况下可以减小驱动电流量级;整体增强型中导轨和保护板受力较大,而分段增强型的导轨和保护板受力较小,且其发射过程中存在周期性变化。2种增强模型均不同程度地优化了发射器的发射性能,可为导弹电磁发射工程化实践提供理论指导;分段增强型的综合性能更优于整体增强型。

串联增强型六极轨道电磁发射器分析与仿真

在文中设计中,串联增强型六极轨道电磁发射器可获得高的电感梯度和良好的磁屏蔽效应,这些性能在新型电磁发射器中起着重要作用。由于电感梯度是影响超高速发射和降低大电流的决定性因素,因此文中设计了一款新型电磁发射器并研究了电感梯度在双抛体运动区域的分布问题。在文中研究中,将提出3种典型串联增强型六极轨道的连接方式,并采用有限元模拟进行比较分析。理论分析和数值仿真结果表明,A构型的磁屏蔽和电感梯度性能优于其它两种构型配置。

小型电磁轨道发射器系统的物理原理研究

利用基本物理原理探究配置出了电源电压和轨道电流分别大约只是电磁轨道炮的千分之一和百分之一的小型电磁轨道发射器系统,避免了轨道烧蚀缺陷,降低了对轨道和电枢材料的要求。与现有的电磁轨道发射系统设计相比,本原理从轻型武器的出膛速度出发,发现存在有最小电源电压,并用MATLAB数学软件推导出了这一加速电源电压最小值与外加磁感应强度直接解析表达式,进而导出了加速时间与出膛速度和轨道长度的关系式,为小型化提供了理论基础。同时,该系统既利用现有电磁技术就可实现的优势,又能获得较高的动力学效率。

基于专利分析国外电磁发射器的发展趋势

文章针对国外电磁发射器发展情况,在国外专利数据库中对电磁发射器领域的专利进行检索和统计。基于国外电磁发射器授权专利国别、主要申请人、美国电磁发射器主要类型、申请量和授权量趋势等方面展开分析和总结,并基于近年专利申请内容,对电磁发射器领域国外技术和应用进行了总结,对国外电磁发射器的发展趋势进行了分析。

串联增强型四极轨道发射器电磁推力仿真

为实现用更小的导轨电流弹射大质量抛体,基于四极电磁轨道发射器提出了串联增强型四极电磁轨道发射方案,分别建立了增强型发射器的主、副导轨产生电磁推力的数学模型,对电磁推力的特性分别进行了仿真研究,根据预设电磁推力的大小确定了导轨层数的公式,并对传统型和增强型发射器的弹射过程进行了建模仿真。仿真结果表明:增强型发射器的电磁推力在更低的位置能趋近最大值,当大质量的抛体弹射速度相同时,增强型发射器的导轨电流小于传统型发射器导轨电流的60%。

平面增强型六极轨道电磁发射器仿真与分析

文中提出了一种新型平面增强型六极轨道电磁发射器,平面增强型六极轨道可获得高的电感梯度和优良的磁屏蔽效应,平面增强型六极环向磁场与抛体的正交环向电流相互作用产生电磁推进力,其磁场屏蔽思想是平面增强六极轨道在运动区域磁场互相抵消的结果。根据轨道电流流入方式的不同会造成不同的磁场屏蔽效果和电磁推进力,文中提出3种典型电流流入构型,并对3种典型构型进行详细仿真与分析。

基于刚度匹配的电磁轨道发射器减振优化

为更好地解决电磁轨道发射器发射过程中的振动问题,提出了2种减振优化方案。一种是双层复合绝缘体结构设计;另一种是轴向多刚度弹性支撑结构设计。分别建立轨道-弹性支撑结构模型,分析绝缘体结构的力学特性,分析轨道-弹性支撑结构的刚度匹配关系。基于响应面法进行刚度匹配实验,建立了响应面模型,分析变量灵敏度,根据刚度匹配得到双层复合绝缘体的最优弹性模量组合;基于模态分析和发射器共振产生情况,设计了三段式轴向多刚度弹性支撑结构。分别对2种优化方案的减振效果进行评估。研究结果表明,上述2种减振方案均增强了发射器的结构刚度,有效减轻了轨道振动。

串联增强型四轨电磁发射器轨道电磁特性分析

为更好地评估串联增强型四轨电磁发射器轨道的发射性能和使用寿命,研究了串联增强型四轨电磁发射器主、副轨道内部的电磁场特性以及所受的电磁力。构建了串联增强型四轨电磁发射器轨道的物理模型,在此基础上,提出主、副轨道的磁场模型和所受电磁力的计算公式。采用有限元分析方法,仿真比较了串联增强型四轨电磁发射器主、副轨道内部的电流和磁场分布以及所受电磁力的大小。结果表明:串联增强型四轨电磁发射器主轨道比副轨道的电流集中现象更明显,所处的电磁环境更加恶劣且要承受更大的电磁力。

基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析

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。

电磁轨道发射器临界速度仿真研究

针对电磁轨道发射器动力学响应研究存在的问题,推导得到研究电磁轨道发射器动力学响应问题的解析解,建立以Bernoulli-Euler(B-E)梁、三维矩形截面轨道为研究对象的有限元模型;从临界速度解析解、动力学响应解析解、有限元梁模型等方面,对三维有限元模型进行验证;通过对有限元软件的二次开发,实现了轨道电磁排斥力和枢轨接触力幅值随时间、随发射距离的瞬态加载。研究表明:电磁轨道发射器二维梁模型的数值解和推导得到的解析解具有较好一致性;提出三维有限元计算模型对临界速度的计算误差不超过1.2%;解析模型和三维有限元计算模型对动力学响应计算结果振动周期具有较好一致性,轨道变形幅值具有一定差异,在电枢作用区域轨道变形幅值差异最大;动态发射过程轨道变形幅值与电流正相关,临界速度会导致轨道变形明显增大。

电磁轨道发射器电磁结构耦合动态发射过程数值模拟

电磁轨道发射器动态发射过程数值模拟是研究内弹道的重要理论基础,该文以简化的电磁轨道发射器为研究对象,建立电磁轨道发射器瞬态电磁场数值求解模型,得到电磁轨道发射器动态发射过程中电枢和轨道三维瞬态电磁力;基于传统电磁轨道发射器动力学响应模型,提出两端无约束模型优化方案和轨道弹性支撑体结构刚度各向异性概念,建立弹性支撑各向异性约束模型;在此基础上,建立考虑弹性支撑刚度各向异性的电磁、结构耦合的内弹道仿真模型;研究弹性支撑刚度各向异性对轨道动力学响应影响规律,正向刚度越小,轨道正向变形越大,提出电磁轨道发射器正向约束临界刚度,建立临界刚度计算模型,为电磁轨道发射器设计提供理论依据。

六极轨道发射器电磁推进与屏蔽数值验证设计

介绍了一种新型六极轨道电磁发射器,利用环向磁场和正交环向电流相互作用产生轴向加速力。在不需要屏蔽线圈或屏蔽材料的情况下,六极轨道电磁发射器可解决磁屏蔽问题。基于理论计算和有限元验证,对发射器的推进力和磁屏蔽进行了分析。数值仿真结果表明,六极轨道电磁发射器有巨大的轴向加速度力和产生磁屏蔽的效果。

电磁发射器轨道磁锯效应的数值模拟

电磁轨道发射器轨道表面裂纹引起的磁锯现象严重制约着发射器的使用寿命。为了更好地分析这种现象,建立了二维情况下的磁扩散方程和热传导方程。结合有限元软件COMSOL Multiphysics中的固体力学模块,对轨道表面裂纹处的电磁、热和力学行为进行了仿真分析。求解过程考虑了材料参数随温度的变化。结果表明,电流在裂纹处"绕行",引起尖端局部电流密度过大是导致磁锯效应的重要原因。加载电流峰值为0.8 MA时,裂纹尖端处最大电流密度可达1010 A/m2量级。此外,对裂纹形状的分析表明,裂纹尖端张角越小,电流的聚集现象越严重,产生的温升也越大。

新型四极轨道电磁发射器

提出一种新型四极轨道电磁发射器模型,并对其进行数值分析及有限元仿真。设计了四极轨道和三叶花瓣状抛体,通过抛体的三组径向电流与四极轨道产生的三组环向磁场正交。环向磁场和流过抛体的径向电流相互作用产生轴向加速力。此外,新型四极轨道电磁发射器的结构设计有利于克服发射过程带来的巨大振动,提高发射精度和准确性。基于理论计算和有限元验证,对抛体的电流及磁场分布进行了分析。结果表明:与传统轨道电磁发射器相比,四极轨道电磁发射器能产生更大的轴向加速力。同时随着轨道电流的增加,抛体所受推进力也会增加。