電樞裝配后接觸壓力不均勻特性研究*

舒 濤,劉 明,陳青榮,丁日顯,趙 杰

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

0 引言

電磁軌道發(fā)射作為一種新興的發(fā)射方式,突破了傳統(tǒng)發(fā)射方式的局限,引起了世界多國軍方的重視[1-2]。但隨著科技的進(jìn)步和戰(zhàn)爭方式的轉(zhuǎn)變,僅僅依靠動能摧毀目標(biāo)已經(jīng)不能滿足作戰(zhàn)需求,利用電磁軌道發(fā)射具有自主摧毀目標(biāo)的智能導(dǎo)彈成為新的作戰(zhàn)樣式[3]。傳統(tǒng)軌道發(fā)射器軌道之間電磁環(huán)境十分惡劣,易對智能彈藥造成破壞,影響導(dǎo)彈性能的發(fā)揮,甚至使其失去制導(dǎo)能力[4-6]。六極軌道環(huán)向排列,相鄰軌道間電流相反,使得電樞中心磁場得以抵消,實(shí)現(xiàn)彈藥位置的磁場屏蔽,同時相比于傳統(tǒng)軌道發(fā)射器,它的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,電樞受力更大。

發(fā)射過程中,電樞的性能狀態(tài)對發(fā)射的影響巨大,只有保證電樞與軌道良好的接觸狀態(tài),才能確保發(fā)射的成功率[7-9]。電樞與軌道間保持良好的金屬-金屬接觸,才能避免發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,電樞與軌道之間的初始接觸壓力大小和分布對轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象有重大影響[10-13]。初始接觸壓力大小與分布及電樞的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),合理的電樞結(jié)構(gòu)尺寸能保證電樞與軌道之間壓力分布均勻,從而抑制發(fā)射過程中轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的發(fā)生。因此研究電樞與軌道的接觸特性對于電樞的設(shè)計(jì)和發(fā)射效率的提高有著重要意義。在發(fā)射過程中,由于速度趨膚效應(yīng)和不均勻的接觸特性容易造成樞軌接觸面電流分布集中,從而導(dǎo)致燒蝕和轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,嚴(yán)重影響電磁發(fā)射過程,所以對電樞接觸特性的研究顯得十分重要。

文中首先給出六極軌道電磁發(fā)射器電樞模型,利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench模擬發(fā)射初期的電樞裝配過程,獲取裝配過程接觸壓力變化情況以及裝配完成后電樞與軌道接觸面壓力分布,提出表征接觸壓力不均勻特性的橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)。根據(jù)控制變量法,研究電樞主要尺寸對兩個不均勻系數(shù)的影響規(guī)律,結(jié)果可以為電樞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 電樞裝配仿真模型

六極軌道電磁發(fā)射器電樞基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,選取電樞的六分之一模型如圖2所示,基本結(jié)構(gòu)參數(shù)已在圖中標(biāo)注。

圖1 電樞模型

圖2 六分之一電樞結(jié)構(gòu)尺寸

從圖1可以看出電樞是一個高度對稱的結(jié)構(gòu),電樞的中空設(shè)計(jì)是為裝載導(dǎo)彈,6個滑行接觸面是分別與六極軌道相連接,軌道之間的引流弧可以引導(dǎo)電樞內(nèi)部電流走向,提高電流的利用效率。由于電樞是關(guān)于中心高度對稱的,故圖2選取六分之一電樞模型,圖中：dt為電樞滑行接觸面長度；ds為尾翼長度；d0為尾翼厚度；h為電樞頭部厚度；r為電樞頭部與尾翼接觸處的圓角半徑；Δ為電樞尾翼過盈量。

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench,模擬發(fā)射初期電樞與軌道的接觸壓力分布特性。仿真中將軌道視為剛體,將電樞視為彈性形變體,電樞的材料為鋁,楊氏彈性模量為70 GPa,泊松比為0.33,材料密度為2 700 kg/m3,電樞與軌道間接觸有摩擦,摩擦系數(shù)為0.05,網(wǎng)格劃分的最小單位是5 mm,采用緊固式裝配方案。

2 電樞裝配接觸特性分析

選取電樞尺寸h為0.2 m,d0為0.1 m,ds為0.2 m,r為0.1 m,Δ為5 mm,軌道寬度和滑行接觸面寬度一致,長度稍長于滑行接觸面長度,利用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真運(yùn)算。裝配中將電樞固定,軌道向電樞方向移動,軌道往電樞方向在1 s的時間內(nèi)總共移動5 mm,一共分為10步,即每步移動0.5 mm,選取軌道移動2 mm、3 mm、4 mm和5 mm時電樞與軌道接觸表面的范氏等效應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 電樞接觸面壓力等效云圖

軌道與電樞裝配起始階段,電樞與軌道的接觸在尾翼末端且接觸面小,電樞受到的應(yīng)力主要集中在電樞尾翼末端,隨著軌道繼續(xù)向電樞移動,接觸面積逐漸增加,應(yīng)力集中區(qū)域也由電樞尾翼末端向電樞中部轉(zhuǎn)移,電樞尾翼逐漸與軌道接觸分離,最終軌道與電樞的接觸區(qū)域集中在電樞中部,接觸面上等效應(yīng)力最大值分布在電樞中部外側(cè),且上下對稱分布。在整個過程中等效應(yīng)力最小值從電樞頭部轉(zhuǎn)移至尾翼末端,接觸區(qū)域由接觸面尾部轉(zhuǎn)移到頭部。

為了便于量化分析電樞與軌道接觸面的不均勻特性,引入兩個不均勻系數(shù),這兩個不均勻系數(shù)分別為p1/pmax和dc/dt。如圖4和圖5所示,它們?yōu)殡姌信c軌道裝配完成后接觸面等效壓強(qiáng)分布云圖,兩圖區(qū)別在于圖4相比圖5顯示得更精確。

圖4中p1表示樞軌接觸面中心線上等效壓強(qiáng)的最大值,pmax表示整個樞軌接觸面上壓強(qiáng)的最大值,圖5中dc為接觸面上等效壓強(qiáng)值大于最大壓強(qiáng)值三分之一數(shù)值的接觸面長度,dt為樞軌接觸面的總長度,故兩個不均勻系數(shù)p1/pmax和dc/dt分別表征接觸面接觸壓強(qiáng)的縱向不均勻程度和橫向不均勻程度。易知,這兩個不均勻系數(shù)的取值范圍都在0～1之間,不均勻系數(shù)的取值越大,越接近于1,則對應(yīng)分布的不均勻程度越小,即分布越均勻,這兩個不均勻系數(shù)分別從橫縱兩方面反映樞軌接觸面接觸壓強(qiáng)分布不均勻程度。通過圖4和圖5計(jì)算易得電樞接觸面縱向不均勻系數(shù)為0.87,橫向不均勻系數(shù)為0.58,即電樞接觸面縱向較為均勻,橫向均勻特性較差。

圖4 電樞裝配完成后接觸面壓力等效云圖

圖5 三級標(biāo)尺接觸面壓力等效云圖

3 電樞尺寸變化對接觸特性影響規(guī)律

改變電樞的某一尺寸,保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真條件等不變,獲得電樞尺寸改變對縱向不均勻系數(shù)和橫向不均勻系數(shù)的影響規(guī)律。

3.1 頭部厚度對不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞頭部厚度h變化范圍是(0.16 m,0.24 m),仿真獲得電樞頭部厚度對接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知,隨著h的增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都增大,縱向不均勻系數(shù)增大的速度慢慢減小,而橫向不均勻系數(shù)增大的速度維持不變。現(xiàn)象表明：隨著電樞頭部厚度增加,電樞裝配后接觸面橫向和縱向接觸特性變好。但考慮到電樞整體柔順性和電樞通流負(fù)載能力,在實(shí)際中要兼顧選擇電樞頭部尺寸。

圖6 頭部厚度對橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

3.2 尾翼長度對不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞尾翼長度ds變化范圍是(0.16 m,0.24 m),仿真獲得電樞尾翼長度對接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 尾翼長度對橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

由圖7可知,隨著ds的增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都減小,縱向不均勻系數(shù)增大的速度慢慢增大,而橫向不均勻系數(shù)增大的速度變化較小。現(xiàn)象表明：隨著電樞尾翼長度增加,電樞裝配后接觸面橫向和縱向接觸特性變差。但考慮到電樞與軌道接觸面積和電流進(jìn)入電樞路徑的影響,在實(shí)際中要兼顧選擇電樞尾翼長度。

3.3 尾翼厚度對不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞尾翼厚度d0變化范圍是(0.08 m,0.12 m),仿真獲得電樞尾翼厚度對接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 尾翼厚度對橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

由圖8可知,隨著d0的增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)減小。相比而言,改變相同的尾翼厚度,橫向不均勻系數(shù)變化程度較縱向不均勻系數(shù)大,上圖中橫向不均勻系數(shù)變化了0.16,而縱向不均勻系數(shù)才變化0.08。現(xiàn)象表明：隨著電樞尾翼厚度增加,電樞裝配后接觸面橫向壓強(qiáng)分布變得更均勻,而縱向壓強(qiáng)分布變得不均勻,也說明電樞尾翼厚度對不均勻特性的影響具有雙向性,尾翼厚度增加對橫向壓強(qiáng)分布有利,對縱向壓強(qiáng)分布不利。

3.4 圓角半徑對不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞圓角半徑r變化范圍是(0.08 m,0.12 m),仿真獲得電樞圓角半徑對接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知,隨著r的增大,橫向不均勻系數(shù)逐漸增大,且呈線性增長,縱向不均勻系數(shù)逐漸減小但改變不明顯,幾乎維持不變。在圖9中,隨著電樞圓角半徑的增大,橫向不均勻系數(shù)變大了0.15,而縱向不均勻系數(shù)僅減小了0.005。現(xiàn)象表明：隨著電樞圓角半徑增加,橫向不均勻系數(shù)變大,縱向不均勻系數(shù)維持不變,說明電樞裝配后接觸面橫向壓強(qiáng)分布變得更均勻而縱向壓強(qiáng)分布維持不變。

圖9 圓角半徑對橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件對電樞與軌道的裝配過程進(jìn)行研究,并分析電樞結(jié)構(gòu)尺寸改變對裝配后電樞接觸面壓強(qiáng)分布的影響規(guī)律。

1)隨著電樞頭部厚度增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都增大,即電樞裝配后接觸壓力分布不均勻程度變小。

2)隨著電樞尾翼長度增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都減小,即電樞裝配后接觸壓力分布不均勻程度變大。

3)隨著電樞尾翼厚度增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)減小,即電樞裝配后接觸壓力橫向分布不均勻程度變小,縱向分布不均勻程度變大。

4)隨著電樞圓角半徑增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)幾乎不變,即電樞裝配后接觸壓力橫向分布不均勻程度變小,縱向分布不均勻程度不變。