基于接觸特性的四軌電磁發射器電樞結構分析

任師達,馮 剛,劉少偉,李騰達,魏棟斌

(空軍工程大學 防空反導學院,陜西 西安 710051)

電磁發射是一種運用電磁力將彈體加速至超高聲速的新興武器發射技術。該技術能夠突破傳統火藥發射的速度極限,并可通過控制激勵脈沖電流實現對出口速度的精確控制。四軌電磁發射器是一種特殊的電磁發射裝置,具有雙軌電磁發射器不具備的種種優勢,它的發展極大促進了電磁發射技術在武器系統中的應用。

電樞作為傳導大電流并推動彈丸發射的運動部件,其接觸特性極大影響著電磁軌道炮的性能。接觸壓力不足將引發轉捩等現象;接觸壓力過大將導致發射過程中阻力過大,加重樞軌磨損。而具有優異性能的發射裝置,要求在發射過程中樞-軌始終保持良好的接觸,且樞-軌接觸面上具有足夠壓力和均勻的應力分布。因此對電磁發射裝置的通電接觸特性的研究具有重要意義。

目前,國內外學者針對該問題進行了大量的研究。馮建源等為優化初始接觸特性,對C型電樞與軌道模型進行二維過盈裝配仿真分析,并采用正交試驗法,得出電樞各結構參數對初始接觸特性的影響程度。朱仁貴等為實現良好電接觸,對C型電樞與軌道模型進行仿真分析,通過改變電樞結構參數,得到了接觸壓強、接觸面積和接觸力的變化規律。王振春等為研究增強型電磁軌道炮的接觸特性,通過實驗與仿真分析,最終得出接觸電阻的影響因素與變化規律。HSIEH等建立了接觸面熱流模型和接觸分層模型,研究了接觸壓強與接觸電阻和接觸面溫度分布的關系。

上述接觸特性研究均取得一定突破與進展,但強脈沖電流帶來的強磁場,使膛內發射環境極其復雜,針對其研究是多物理場耦合的過程。因此僅對初始接觸或者僅考慮電磁力因素無法完整表征樞軌間的接觸特性,不能真實反映出樞軌接觸狀態。

基于以上問題,本文依托雙曲結構四軌電磁發射裝置,充分考慮摩擦力、洛倫茲力以及初始過盈等因素,利用有限元方法對通電接觸特性進行分析。通過選擇電樞形變量、最大等效應力、平均接觸壓強和平均接觸壓力4個參數作為接觸特性性能指標,計算該雙曲電樞的最佳過盈量,并分別探究過盈量、電樞喉部厚度和電樞尾部厚度對通電接觸特性性能指標的影響規律。

1 樞軌結構及物理參數

1.1 模型建立及條件設定

本文采用的雙曲結構四軌電磁發射裝置的模型及工作原理如圖1所示,四根軌道圍繞電樞成90°圓周陣列分布。相對的兩條軌道施加同向電流激勵,電流流經電樞后,由其余兩條軌道流出。軌道的電流在膛內產生四極磁場,與流經電樞的電流正交作用推動電樞向+方向運動。

圖1 雙曲結構四軌電磁發射裝置

該電磁軌道炮與傳統電磁炮相比,在相同電流的條件下產生的電磁力要大得多,可以獲得更高的炮口速度,且該結構更穩定、發射效率更高。從熱應力和熱變形角度來看,眾多文獻均表明雙曲電樞具有平面電樞、凸面電樞不具備的優勢。參考現有實驗所用的發射裝置結構參數,建立如圖2所示四軌電磁發射器雙曲電樞結構。該發射裝置口徑為24 mm×24 mm,電樞臂尾部厚度=1.0 mm,喉部圓形導孔半徑=2.6 mm,電樞喉部厚度=2.4 mm,軌道長度為400 mm。

圖2 雙進電樞結構參數示意圖

在通電接觸特性的仿真實驗中,要綜合考慮軌道和電樞的結構強度以及電流導通能力。軌道與電樞的材料參數見表1。

表1 相關材料物理參數

1.2 網格劃分

雙曲結構四軌電磁發射裝置的空間結構較為復雜。在網格劃分時選擇六面體結構網格,為保證計算精度的同時減少計算耗時并在特定區域進行網格加密處理。

首先在截面進行四邊形2D網格的繪制,繪制結果如圖3所示。再將二維網格沿軸向投影,并通過掃掠操作得到六面體網格。在進行電磁場瞬態分析時,電流會在電樞與軌道中產生趨膚效應,使電流主要集中于樞軌接觸面、電樞臂及喉部等區域。為得到更為準確的結果,需對電樞喉部及樞軌接觸面進行網格加密處理,加密后的效果如圖4所示。

圖3 2D網格圖

圖4 網格加密圖

2 基于通電接觸特性的過盈量研究

為了獲得良好的樞軌接觸特性,工程中通常采用過盈裝配方法,該配合方法不僅可以為電樞的高速運動提供穩固支撐,也為大電流導通提供有效的電接觸條件。過盈量過大將導致發射過程中磨損加重;過盈量過小將導致電接觸不良,直接影響電樞啟動性能。因此在電樞過盈量的設計過程中,不僅要考慮結構力學問題,還要充分考慮通電后的接觸問題。

2.1 迭代仿真法

對于過盈量的設計,苗海玉等提出反向加載法,運用期望接觸載荷反向施加于電樞臂上,從而得到正向期望的過盈量。但基于工程力學角度分析,正向與反向施加載荷所得到的材料形變量具有一定誤差,在一定程度上該方法只適用于均勻矩形截面電樞臂。因此,為了更好地實現雙曲結構電樞的過盈量設計,本文提出一種迭代仿真方法,即考慮電接觸和實際工程中的磨損等問題,并通過循環仿真對接觸壓力進行求解,使其與期望接觸壓力進行比較,從而達到不斷逼近最優過盈量的目的。具體實現流程如圖5所示。

圖5 迭代仿真法流程圖

2.2 物理參數與邊界條件

初始接觸壓力的大小要保證電磁軌道炮初始工作時刻電流順利通過,其值可根據Marshall“1g/1A”經驗法則進行確定,即每通過1 A電流至少需要9.8×10N的接觸壓力。施加峰值為100 kA的脈沖電流載荷,可計算出初始接觸壓力至少為980 N。但在實際工程中,為減少轉捩與電流起弧現象的發生,初始接觸力需大于該計算值。將接觸壓力與期望接觸壓力的最大容許差值設定為50 N即可保證過盈精度為=0.01 mm,預選擇過盈量為0.4 mm。

本文采用緊固裝配方式,將四根軌道沿軸向施加作用距離位移,使過盈量完全擠壓。根據電磁軌道發射器樞軌接觸面的實際粗糙程度,將摩擦系數設定為0.2。緊固裝配模型如圖6所示。

圖6 緊固裝配仿真模型

迭代仿真過程中,不同過盈量下的通電接觸特性相關數據如表2所示。根據表中數據可知,隨著過盈量的減小,最大應力、平均接觸壓強和平均接觸壓力均減小。由此可知過盈量的大小直接決定初始接觸特性,對電樞的啟動性能具有重要影響。

表2 不同過盈量的接觸特性

通過以上仿真數據,得到滿足Marshall法則的最小過盈量為0.34 mm,同時每條電樞臂上的平均接觸壓強為2.28 MPa,平均接觸壓力為1 005.62 N。該過盈量下的初始形變量及von-Mises應力分布云圖如圖7所示。

圖7 接觸特性云圖

從圖中可以看出,電樞臂形變云圖分布情況符合電樞的過盈設計;且雙曲電樞臂的等效應力呈蝶翼狀分布。

3 接觸特性多場耦合分析方法

在電磁發射過程中,樞軌間的接觸壓力除了來源于電樞的過盈壓力還有電磁壓緊力。根據安培定律,電流流經電樞臂將產生磁場,該磁場與樞軌中的電流相互作用,會產生電樞臂向外擴張并擠壓軌道的電磁力。

3.1 電磁特性分析

在進行通電接觸特性仿真之前,需要對電樞進行電磁特性分析。電磁特性分析主要包括磁感應強度及電流密度分布等。通過有限元仿真得到電樞磁感應強度分布云圖如圖8所示。

圖8 磁感應強度分布

從圖中可以看出,在四條電樞臂上,磁感應強度分布呈現出從電樞臂尾部到頭部逐漸減小的趨勢;在電流趨膚效應和速度趨膚效應的影響下磁感應強度主要集中于電樞喉部內側的紅色區域,該區域的磁感應強度將為彈丸的發射激發推力。由于電流與磁感應強度具有相似的分布,為了更加準確得到電樞臂上的電流密度變化趨勢,選取如圖9所示的路徑進行有限元分析。仿真得到該路徑的電流密度分布曲線如圖10所示。

圖9 路徑選取圖

圖10 路徑電流密度分布曲線

由電流密度分布曲線圖可知,從電樞臂前端過渡到尾端,電流密度整體呈現逐漸增大的趨勢,電樞臂中部電流密度的分布較為均勻,電樞頭部及尾部電流密度較大且主要集中在電樞臂尾部,其最大值可達到1×10J/(A·m)。

3.2 電磁-結構場耦合仿真方法

同時考慮過盈裝配及電磁力作用對接觸特性的影響。將電磁特性作為載荷加載至結構場模塊進行耦合。并在結構場中設置約束條件,運用等效法,將過盈裝配帶來的初始接觸壓力等效為施加于軌道上的預緊力,將該雙曲電樞的最佳過盈量0.34 mm作為多場耦合仿真條件,其他參數不變。仿真得到電樞形變及等效應力云圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 電樞形變分布

圖12 電樞等效應力分布

電樞臂尾部變形量最大,可達到3.218 6×10m,頭部幾乎不發生形變,電樞臂向外擴張。與初始接觸形變圖對比可知,形變分布情況相同,但彎折方向發生改變,這是由于在發射過程中,電流在電樞臂中產生方向向外的側向電磁力占主導。

由等效應力分布云圖可知,等效應力最大值主要分布在四根電樞臂內側喉部區域,最大值為41.098 MPa。這主要是由電樞自身結構決定的,電樞臂為懸臂梁結構,懸臂梁的約束端等效應力最大。在樞軌接觸面上等效應力分布呈現蝶翼狀,即電樞喉部凹陷最深部分等效應力較小,由中間向外側,等效應力分布面積及數值逐漸增大。力學角度分析,凹形曲面向外彎折時,邊緣兩側應力分布較大。與傳統平面結構相比該結構等效應力分布更加均勻,大大提高了電樞臂的抗彎強度。

4 基于通電接觸特性的雙曲電樞結構參數分析

綜合以上研究,可以判定除了過盈量以外,電樞喉部及電樞尾部結構將對通電接觸特性產生主要影響,電樞頭部對通電接觸性能影響較小。下面將針對喉部和尾部兩處結構的參數進行多場耦合分析。

4.1 電樞尾部厚度對通電接觸特性的影響

在電樞結構參數的合理范圍內,對五種不同尾部厚度的電樞進行建模,電樞尾部厚度分別為1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm和1.4 mm,其余參數及邊界條件不變。分別對不同結構參數的樞軌結構進行電磁-結構場耦合仿真。求解不同電樞尾部厚度下的通電接觸特性,仿真結果如表3所示。

表3 電樞尾部厚度對接觸特性的影響

由上表可以看出,隨著電樞尾部厚度的增加,電樞臂的最大形變量、最大等效應力、平均接觸壓強及平均接觸壓力均增大。其中接觸壓強由過盈量提供的預緊力和側向電磁力兩部分形成,且該5組仿真是在相同過盈量條件下完成的,所以預緊力相同。因此該結果表明電樞尾部厚度的增加會改善電流導通效果,為電接觸提供足夠的接觸壓力。但同時會增大電樞臂形變量和最大等效應力,使電磁發射過程中電樞臂的向外擴張情況加劇,從而加重樞軌之間的磨損及燒蝕。

4.2 電樞喉部厚度對通電接觸特性的影響

對電樞臂尾部厚度為1.0 mm,喉部挖空的圓形導孔半徑為2.0 mm,2.2 mm,2.4 mm,2.6 mm和2.8 mm的電樞分別進行建模。喉部挖空的導孔半徑越小,對應的電樞喉部越厚。其余結構參數及邊界條件均相同。基于電磁-結構場耦合的有限元仿真方法,分別對不同喉部厚度下的電樞形變量、最大等效應力、平均接觸壓強及平均接觸壓力參數進行仿真求解,結果如表4所示。

表4 電樞喉部厚度對接觸特性的影響

由上表可知,平均接觸壓強和平均接觸壓力隨電樞喉部導孔半徑的增大而減小,電樞臂的最大形變量和最大等效應力隨電樞喉部導孔半徑的增大而增大。由電樞磁感應強度云圖可知,在通電階段,電流密度主要集中于電樞喉部,即電樞喉部厚度的增加可改善樞軌間電接觸性能。同時隨著電樞喉部厚度的增加,電樞臂的最大形變量及最大等效應力均減小。

因此適當增大電樞喉部厚度不僅可以改善樞軌間的電接觸性能,同時使電樞結構更加穩定,在電磁發射過程中能夠有效降低樞軌燒蝕、磨損及轉捩等情況的發生。

5 結論

在過盈裝配和電磁力的共同作用下,對雙曲結構四軌電磁發射裝置的發射過程進行多場耦合仿真,研究了雙曲電樞結構的動態接觸特性。主要結論總結如下:

①在電樞過盈量設計中,充分考慮通電接觸特性的影響,提出了迭代仿真法,計算出雙曲電樞最優過盈量為0.34 mm。

②過盈量主要決定電樞的啟動性能;電樞喉部主要用于承受大電流以及強磁場所帶來的應力;電樞臂末端主要用于傳導大電流,電樞頭部對通電接觸特性影響較小。

③在一定范圍增大電樞臂末端厚度可在一定程度上改善電流導通效果,但同時使電樞臂外擴現象加劇,加重接觸面磨損與燒蝕。

④在一定范圍內增大電樞喉部厚度不僅可以改善樞軌間的電接觸性能,同時使電樞結構更加穩定。