炮口感應裝定線圈的安裝角度

李　亮，崔鵬飛

(西安機電信息技術研究所，西安　710065)

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【裝備理論與裝備技術】

炮口感應裝定線圈的安裝角度

李亮，崔鵬飛

(西安機電信息技術研究所，西安710065)

炮口感應裝定可以逐發修正炮口初速，炮口制退器形狀不合或不允許使用炮口制退器時只好將裝定線圈裝在炮口側面，作非共軸感應裝定。非共軸感應裝定對炮口線圈安裝角度要求非常高，并且沒有設計規范。為此，通過有限元分析軟件ANSYS仿真優選出非共軸感應裝定線圈的安裝角度應為60°。仿真與測試表明，在炮口裝定線圈與身管夾角為60°時，磁場分布最為合適，空間裝定窗口區間最大。

引信；電磁感應裝定；三維；仿真

炮口感應裝定可以逐發修正炮口初速，目前國內外研究的一個共同點是裝定線圈與接收線圈是共軸的，當炮口制退器形狀不合適或者不允許使用炮口制退器時，則無法使用。針對此問題，將裝定線圈裝在炮口側面，即非共軸感應裝定。非共軸感應裝定的裝定線圈在炮口安裝的角度不同，產生的磁場大小亦不同。為此，通過有限元分析軟件ANSYS，建立發射線圈三維模型，對發射線圈的磁場分布進行分析和計算，并對在不同角度下的發射線圈的磁場進行比較，優選非共軸感應裝定線圈的最合適安裝角度。

1　共軸和非共軸感應裝定和仿真方法

1.1共軸感應裝定

圖1所示為一共軸式炮口感應裝定的原理圖。發射線圈裝在炮口處，接收線圈裝在炮彈上，隨炮彈發射過程中穿過發射線圈。根據電磁感應定律，裝定信息在炮彈穿越發射線圈過程中完成。

圖1　共軸式感應裝定

由于磁場的軸對稱性，將三維磁場簡化成二維平面磁場進行分析且僅計算截面的四分之一區域，其有限元模型如圖2所示。給發射線圈施加電壓、電流載荷和磁場邊界等條件，形成的磁場如圖3所示。

圖2　線圈有限元模型

圖3　線圈磁力線分布

二維設計的局限性在于發射線圈的ANSYS二維仿真設計僅能獲取到所在的xoy平面方向的磁場分布，不能夠在同一個模型中獲取立體空間中的任意方向上的分量。

1.2非共軸感應裝定

圖4為一非共軸式炮口感應裝定的基本模型，坐標系原點O為炮口平面的幾何中心點。發射線圈裝在炮管側壁上，其中發射線圈和炮管平面之間的夾角θ可以任意變化，但發射線圈不能超出炮口平面所在的平面。炮管外徑為0.12m，接收線圈是一個外徑為0.03m，內徑為0.024m，高為0.001 5m的線圈，其軌跡可以看做是沿炮管中心軸線，即圖中Z軸正方向做勻速直線運動。接收線圈很小，可以以接收線圈幾何中心在運動路線上磁場的變化近似表示接收線圈的磁場變化，即發射線圈在Z軸正方向上的磁場分布引起接收線圈的磁場變化。

圖4　非共軸式炮口感應裝定

1.3ANSYS仿真方法

根據ANSYS軟件原理，采用三維靜態節點法進行分析，選取SOLID97單元作為發射線圈和空氣模型單元。發射線圈選取AX、AY、AZ、VOLT自由度，空氣模型選取AX、AY、AZ自由度。設發射線圈為一個空心圓柱線圈，外徑長為0.08m，匝數為50匝，每匝通過均勻電流為1A，在材料屬性設置中設發射線圈的電阻率為3×108Ω·m，相對磁導率為1.0，空氣相對磁導率為1.0。選擇默認的6級智能劃分水平，對發射線圈進行映射網格劃分，網格劃分完后，對發射線圈加載電流載荷，在加載項中選擇給Y軸方向上加載電流值。對于邊界條件，空氣模型包裹了發射線圈模型，在空氣模型外界面上設磁力線為0，它滿足第一類齊次邊界條件AZ=0，給空氣模型施加磁力線平行邊界條件FluxParl，最后選擇STATIC分析類型，求解得到仿真模型。

圖5　線圈模型及磁場分布

2　仿真優選線圈安裝角度

發射線圈的三維仿真模型可以取空間中任意路徑上的磁場分布，為了獲取在不同角度下發射線圈的磁場強度分布，且便于比較，在ANSYS仿真中首先確定某一路徑，然后通過建立局部坐標系建立不同夾角下的發射線圈模型。以10°為單位，根據夾角θ從0°到90°的變化分別建立發射線圈模型，施加載荷后依次得到發射線圈在炮管中心軸線上的磁場分布。選取直線路徑為從原點(0,0,0)到點(0,0,0.5)。獲取不同角度下該路徑上的磁場分布圖，并進行比較分析。

對不同角度下的發射線圈進行仿真，在所選取路徑上的磁場分布如圖6～圖15，圖中橫坐標是米/m，縱坐標是特斯拉/T。

圖6　0°磁場分布

圖7　10°磁場分布

圖8　20°磁場分布

圖9　30°磁場分布

圖10　40°磁場分布

圖11　50°磁場分布

圖12　60°磁場分布

圖13　70°磁場分布

圖14　80°磁場分布

圖15　90°磁場分布

由上述所獲取到的磁場分布圖可以看出，隨著發射線圈和炮管平面之間的夾角θ從0°到90°變化，磁場強度的極大值呈現先減小再增大的趨勢，最大值為1.507×10-3T，并且每條路徑上的極大值出現在距離炮口平面中心原點0.1m范圍內，隨著夾角θ增大，極大值出現也愈來愈接近原點的位置，但磁場分布曲線的變化愈陡，根據畢奧―薩伐爾(Biot-Savart)定律，當Z>R時，發射線圈的磁感應強度為：

(1)

其中R是線圈半徑，Z是空間一點距線圈中心距離。當夾角θ變化，炮管中心軸線相對于發射線圈的位置發生變化，發射線圈在炮管中心軸線上的磁場分布隨之變化。因此要根據實際工程應用的需要確定裝定窗口，在極大值滿足的情況下選擇盡量平緩的曲線分布，確定裝定窗口。

在每一角度下得到的磁場分布曲線上，從起點坐標到0.2m等間距選取9個點，每條磁場分布曲線的各點的磁場強度如表1(單位為10-4T):

(2)

在式子(2)中以接收線圈幾何中心在運動路線上磁場的變化近似表示整個接收線圈的磁場變化，其中ε為接收線圈的感應電壓值，n為接收線圈的匝數， R為接收線圈的外徑，B為發射線圈在某點的磁場強度。

表1　0°～90°各點的磁場強度

利用OriginLab軟件，通過上述的采樣點對B和t的函數關系進行擬合，分別得到在不同角度下的B和t有關的函數B=f(t)。通過Matlab對函數B=f(t)進行求導并得到其導數的函數曲線，即可得到接收線圈在不同角度下的感應電壓變化分布曲線，進而確定裝定窗口。圖16～圖25為不同角度下的接收線圈上的感應電壓分布曲線。設炮彈速度為1 000m/s，圖中橫坐標單位為10-1m，數量級為，縱坐標單位為10-4V。

圖16　0°感應電壓

圖17　10°感應電壓

圖18　20°感應電壓

圖19　30°感應電壓

圖20　40°感應電壓

圖21　50°感應電壓

圖22　60°感應電壓

圖23　70°感應電壓

圖24　80°感應電壓

圖25　90°感應電壓

由上述得到的不同角度下的接收線圈的感應電壓分布曲線，根據實際裝定要求確定裝定窗口。設能夠保證與接收線圈相聯接的引信內部負載回路正常工作的最小值εk為1mv，利用Matlab軟件對每個角度下的感應電壓進行計算比較，得出每條路徑上值為εk的點的縱坐標位置，然后換算成有效裝定區間長度，因此各個角度下的有效磁場裝定區間長度L如表2，單位為cm。

表2　有效磁場裝定區間長度

綜上所述，當炮彈初速度是1 000m/s，夾角為60°時，有效裝定區間長度值最大，在滿足裝定條件下選取的空間裝定窗口最為合適。因此確定當夾角為60°時，有最優的空間裝定窗口。

3　電路驗證

在實際工程中由于接收線圈的磁通量很難直接測量，所以通過測量接收線圈的感應電壓計算磁通量及磁場強度，設計相關電路和制作線圈，發射線圈外徑長為0.08m，匝數為50，接收線圈外徑長為0.03m，匝數為100。將發射線圈連接上電路，接通外接電源。外接電壓為5V，發射線圈上接1Ω電阻，測量電阻兩端電壓。在示波器實際測量中由于以10°為遞增步長不容易實現，因此選取0°、30°、60°、90°四個角度下進行測量。得到如圖26～圖29所示，εk為1mV，通過示波器測量整理數據如表3。

圖26　0°

圖27　30°

圖28　60°

圖29　90°

Θ0°30°60°90°L9.14.710.64.2

由表3數據可得當夾角為60°時，裝定區間長度最大。

4　結論

本文通過有限元分析軟件ANSYS，當炮彈初速度是 1 000m/s時，優選出非共軸感應裝定線圈的安裝角度為60°。仿真與分析表明，在炮口裝定線圈與身管夾角為60°時，磁場分布最佳，空間裝定窗口區間最大。

[1]陳祖安,易躍生,王凱.膛內感應裝定引信設計[J].四川兵工學報,2010(4):4-5.

[2]黃明利,馬少杰.水下槍榴彈引信電磁感應裝定仿真[J].四川兵工學報,2010(5):7-8.

[3]孫希彤,劉秋生,陳浩.電磁感應裝定技術應用及發展趨勢[J].飛航導彈,2016(7):12-13.

[4]張志.感應裝定數據傳輸技術研究[D].太原：中北大學.2014.

[5]方天翔,董明杰.電磁感應裝定技術在彈藥中的應用[J].裝備制造技術,2014(3):22-23.

[6]吳志亮,張合.小口徑引信膛內感應儲能磁場穿透特性[J].兵工學報,2010,10(2):11-12.

[7]杜軍,李紅英,馬君,王秋生,徐昕.間斷供能的引信裝定數據雙向傳輸方法[J].探測與控制學報,2014(4):3-4.

[8]楊明.炮口感應裝定系統發送線圈仿真設計[J].淮海工學院學報,2009,18(1):70-72.

[9]李煒昕,張合,李長生.彈鏈感應裝定平板型線圈耦合結構[J].探測與控制學報，2012(4):16-17.

[10]王秋生,毛俊,孫艷,等.非共軸線圈炮口感應裝定[J].探測與控制學報，2009(8):24-25.

[11]馬少杰,張合,李長生,等.小口徑火炮引信彈鏈電磁感應裝定仿真分析[J].兵工學報，2009(4)33-34.

[12]王秋生,潘宗仁,孫艷.新一代感應裝定技術——軟件感應裝定[J].兵工學報，2008(1):32-33.

[13]黃學功,賴百壇,李映平,等.炮口感應裝定系統電磁場特性分析[J].彈道學報,2003,15(2):68-71.

[14]金建銘.電磁場有限元方法[M].西安:西安電子科技大學出版社，2005.

[15]唐興倫,范群波,張朝暉,等.ANSYS工程應用教程—— 熱與電磁學篇[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

(責任編輯周江川)

AngleofCoilonMuzzleInductionSetting

LILiang,CUIPeng-fei

(Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology,Xi’an710065,China)

Themuzzlevelocitycanbemodifiedbythemuzzleinductionsetting,andthecoilisinstalledattheoutsideofthemuzzlewhenthemuzzlebrakeisnotallowedortheshapeofthemuzzlebrakeisinappropriate.Theangleofthecoilonthenon-coaxialinductionsettingisveryimportantbutthereisnotechnicalstandards.ThepowerfulfiniteelementanalysissoftwareANSYSwasemployedtorecalculatewhentheappropriateangleis60°.Themagneticfieldandthesettingwindowisappropriatewhentheangleofthecoilandtheartillerybarrelis60°.

fuze;electromagneticinductionsetting; 3D;simulation

2016-04-29；

2016-05-16

李亮(1984—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事機械電子工程研究。

10.11809/scbgxb2016.09.009

format:LILiang,CUIPeng-fei.AngleofCoilonMuzzleInductionSetting[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):36-42.

TJ430.6

A

2096-2304(2016)09-0036-07

本文引用格式：李亮,崔鵬飛.炮口感應裝定線圈的安裝角度[J].兵器裝備工程學報，2016(9):36-42.