基于接触特性的四轨电磁发射器电枢结构分析

任师达,冯 刚,刘少伟,李腾达,魏栋斌

(空军工程大学 防空反导学院,陕西 西安 710051)

电磁发射是一种运用电磁力将弹体加速至超高声速的新兴武器发射技术。该技术能够突破传统火药发射的速度极限,并可通过控制激励脉冲电流实现对出口速度的精确控制。四轨电磁发射器是一种特殊的电磁发射装置,具有双轨电磁发射器不具备的种种优势,它的发展极大促进了电磁发射技术在武器系统中的应用。

电枢作为传导大电流并推动弹丸发射的运动部件,其接触特性极大影响着电磁轨道炮的性能。接触压力不足将引发转捩等现象;接触压力过大将导致发射过程中阻力过大,加重枢轨磨损。而具有优异性能的发射装置,要求在发射过程中枢-轨始终保持良好的接触,且枢-轨接触面上具有足够压力和均匀的应力分布。因此对电磁发射装置的通电接触特性的研究具有重要意义。

目前,国内外学者针对该问题进行了大量的研究。冯建源等为优化初始接触特性,对C型电枢与轨道模型进行二维过盈装配仿真分析,并采用正交试验法,得出电枢各结构参数对初始接触特性的影响程度。朱仁贵等为实现良好电接触,对C型电枢与轨道模型进行仿真分析,通过改变电枢结构参数,得到了接触压强、接触面积和接触力的变化规律。王振春等为研究增强型电磁轨道炮的接触特性,通过实验与仿真分析,最终得出接触电阻的影响因素与变化规律。HSIEH等建立了接触面热流模型和接触分层模型,研究了接触压强与接触电阻和接触面温度分布的关系。

上述接触特性研究均取得一定突破与进展,但强脉冲电流带来的强磁场,使膛内发射环境极其复杂,针对其研究是多物理场耦合的过程。因此仅对初始接触或者仅考虑电磁力因素无法完整表征枢轨间的接触特性,不能真实反映出枢轨接触状态。

基于以上问题,本文依托双曲结构四轨电磁发射装置,充分考虑摩擦力、洛伦兹力以及初始过盈等因素,利用有限元方法对通电接触特性进行分析。通过选择电枢形变量、最大等效应力、平均接触压强和平均接触压力4个参数作为接触特性性能指标,计算该双曲电枢的最佳过盈量,并分别探究过盈量、电枢喉部厚度和电枢尾部厚度对通电接触特性性能指标的影响规律。

1 枢轨结构及物理参数

1.1 模型建立及条件设定

本文采用的双曲结构四轨电磁发射装置的模型及工作原理如图1所示,四根轨道围绕电枢成90°圆周阵列分布。相对的两条轨道施加同向电流激励,电流流经电枢后,由其余两条轨道流出。轨道的电流在膛内产生四极磁场,与流经电枢的电流正交作用推动电枢向+方向运动。

图1 双曲结构四轨电磁发射装置

该电磁轨道炮与传统电磁炮相比,在相同电流的条件下产生的电磁力要大得多,可以获得更高的炮口速度,且该结构更稳定、发射效率更高。从热应力和热变形角度来看,众多文献均表明双曲电枢具有平面电枢、凸面电枢不具备的优势。参考现有实验所用的发射装置结构参数,建立如图2所示四轨电磁发射器双曲电枢结构。该发射装置口径为24 mm×24 mm,电枢臂尾部厚度=1.0 mm,喉部圆形导孔半径=2.6 mm,电枢喉部厚度=2.4 mm,轨道长度为400 mm。

图2 双进电枢结构参数示意图

在通电接触特性的仿真实验中,要综合考虑轨道和电枢的结构强度以及电流导通能力。轨道与电枢的材料参数见表1。

表1 相关材料物理参数

1.2 网格划分

双曲结构四轨电磁发射装置的空间结构较为复杂。在网格划分时选择六面体结构网格,为保证计算精度的同时减少计算耗时并在特定区域进行网格加密处理。

首先在截面进行四边形2D网格的绘制,绘制结果如图3所示。再将二维网格沿轴向投影,并通过扫掠操作得到六面体网格。在进行电磁场瞬态分析时,电流会在电枢与轨道中产生趋肤效应,使电流主要集中于枢轨接触面、电枢臂及喉部等区域。为得到更为准确的结果,需对电枢喉部及枢轨接触面进行网格加密处理,加密后的效果如图4所示。

图3 2D网格图

图4 网格加密图

2 基于通电接触特性的过盈量研究

为了获得良好的枢轨接触特性,工程中通常采用过盈装配方法,该配合方法不仅可以为电枢的高速运动提供稳固支撑,也为大电流导通提供有效的电接触条件。过盈量过大将导致发射过程中磨损加重;过盈量过小将导致电接触不良,直接影响电枢启动性能。因此在电枢过盈量的设计过程中,不仅要考虑结构力学问题,还要充分考虑通电后的接触问题。

2.1 迭代仿真法

对于过盈量的设计,苗海玉等提出反向加载法,运用期望接触载荷反向施加于电枢臂上,从而得到正向期望的过盈量。但基于工程力学角度分析,正向与反向施加载荷所得到的材料形变量具有一定误差,在一定程度上该方法只适用于均匀矩形截面电枢臂。因此,为了更好地实现双曲结构电枢的过盈量设计,本文提出一种迭代仿真方法,即考虑电接触和实际工程中的磨损等问题,并通过循环仿真对接触压力进行求解,使其与期望接触压力进行比较,从而达到不断逼近最优过盈量的目的。具体实现流程如图5所示。

图5 迭代仿真法流程图

2.2 物理参数与边界条件

初始接触压力的大小要保证电磁轨道炮初始工作时刻电流顺利通过,其值可根据Marshall“1g/1A”经验法则进行确定,即每通过1 A电流至少需要9.8×10N的接触压力。施加峰值为100 kA的脉冲电流载荷,可计算出初始接触压力至少为980 N。但在实际工程中,为减少转捩与电流起弧现象的发生,初始接触力需大于该计算值。将接触压力与期望接触压力的最大容许差值设定为50 N即可保证过盈精度为=0.01 mm,预选择过盈量为0.4 mm。

本文采用紧固装配方式,将四根轨道沿轴向施加作用距离位移,使过盈量完全挤压。根据电磁轨道发射器枢轨接触面的实际粗糙程度,将摩擦系数设定为0.2。紧固装配模型如图6所示。

图6 紧固装配仿真模型

迭代仿真过程中,不同过盈量下的通电接触特性相关数据如表2所示。根据表中数据可知,随着过盈量的减小,最大应力、平均接触压强和平均接触压力均减小。由此可知过盈量的大小直接决定初始接触特性,对电枢的启动性能具有重要影响。

表2 不同过盈量的接触特性

通过以上仿真数据,得到满足Marshall法则的最小过盈量为0.34 mm,同时每条电枢臂上的平均接触压强为2.28 MPa,平均接触压力为1 005.62 N。该过盈量下的初始形变量及von-Mises应力分布云图如图7所示。

图7 接触特性云图

从图中可以看出,电枢臂形变云图分布情况符合电枢的过盈设计;且双曲电枢臂的等效应力呈蝶翼状分布。

3 接触特性多场耦合分析方法

在电磁发射过程中,枢轨间的接触压力除了来源于电枢的过盈压力还有电磁压紧力。根据安培定律,电流流经电枢臂将产生磁场,该磁场与枢轨中的电流相互作用,会产生电枢臂向外扩张并挤压轨道的电磁力。

3.1 电磁特性分析

在进行通电接触特性仿真之前,需要对电枢进行电磁特性分析。电磁特性分析主要包括磁感应强度及电流密度分布等。通过有限元仿真得到电枢磁感应强度分布云图如图8所示。

图8 磁感应强度分布

从图中可以看出,在四条电枢臂上,磁感应强度分布呈现出从电枢臂尾部到头部逐渐减小的趋势;在电流趋肤效应和速度趋肤效应的影响下磁感应强度主要集中于电枢喉部内侧的红色区域,该区域的磁感应强度将为弹丸的发射激发推力。由于电流与磁感应强度具有相似的分布,为了更加准确得到电枢臂上的电流密度变化趋势,选取如图9所示的路径进行有限元分析。仿真得到该路径的电流密度分布曲线如图10所示。

图9 路径选取图

图10 路径电流密度分布曲线

由电流密度分布曲线图可知,从电枢臂前端过渡到尾端,电流密度整体呈现逐渐增大的趋势,电枢臂中部电流密度的分布较为均匀,电枢头部及尾部电流密度较大且主要集中在电枢臂尾部,其最大值可达到1×10J/(A·m)。

3.2 电磁-结构场耦合仿真方法

同时考虑过盈装配及电磁力作用对接触特性的影响。将电磁特性作为载荷加载至结构场模块进行耦合。并在结构场中设置约束条件,运用等效法,将过盈装配带来的初始接触压力等效为施加于轨道上的预紧力,将该双曲电枢的最佳过盈量0.34 mm作为多场耦合仿真条件,其他参数不变。仿真得到电枢形变及等效应力云图分别如图11和图12所示。

图11 电枢形变分布

图12 电枢等效应力分布

电枢臂尾部变形量最大,可达到3.218 6×10m,头部几乎不发生形变,电枢臂向外扩张。与初始接触形变图对比可知,形变分布情况相同,但弯折方向发生改变,这是由于在发射过程中,电流在电枢臂中产生方向向外的侧向电磁力占主导。

由等效应力分布云图可知,等效应力最大值主要分布在四根电枢臂内侧喉部区域,最大值为41.098 MPa。这主要是由电枢自身结构决定的,电枢臂为悬臂梁结构,悬臂梁的约束端等效应力最大。在枢轨接触面上等效应力分布呈现蝶翼状,即电枢喉部凹陷最深部分等效应力较小,由中间向外侧,等效应力分布面积及数值逐渐增大。力学角度分析,凹形曲面向外弯折时,边缘两侧应力分布较大。与传统平面结构相比该结构等效应力分布更加均匀,大大提高了电枢臂的抗弯强度。

4 基于通电接触特性的双曲电枢结构参数分析

综合以上研究,可以判定除了过盈量以外,电枢喉部及电枢尾部结构将对通电接触特性产生主要影响,电枢头部对通电接触性能影响较小。下面将针对喉部和尾部两处结构的参数进行多场耦合分析。

4.1 电枢尾部厚度对通电接触特性的影响

在电枢结构参数的合理范围内,对五种不同尾部厚度的电枢进行建模,电枢尾部厚度分别为1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm和1.4 mm,其余参数及边界条件不变。分别对不同结构参数的枢轨结构进行电磁-结构场耦合仿真。求解不同电枢尾部厚度下的通电接触特性,仿真结果如表3所示。

表3 电枢尾部厚度对接触特性的影响

由上表可以看出,随着电枢尾部厚度的增加,电枢臂的最大形变量、最大等效应力、平均接触压强及平均接触压力均增大。其中接触压强由过盈量提供的预紧力和侧向电磁力两部分形成,且该5组仿真是在相同过盈量条件下完成的,所以预紧力相同。因此该结果表明电枢尾部厚度的增加会改善电流导通效果,为电接触提供足够的接触压力。但同时会增大电枢臂形变量和最大等效应力,使电磁发射过程中电枢臂的向外扩张情况加剧,从而加重枢轨之间的磨损及烧蚀。

4.2 电枢喉部厚度对通电接触特性的影响

对电枢臂尾部厚度为1.0 mm,喉部挖空的圆形导孔半径为2.0 mm,2.2 mm,2.4 mm,2.6 mm和2.8 mm的电枢分别进行建模。喉部挖空的导孔半径越小,对应的电枢喉部越厚。其余结构参数及边界条件均相同。基于电磁-结构场耦合的有限元仿真方法,分别对不同喉部厚度下的电枢形变量、最大等效应力、平均接触压强及平均接触压力参数进行仿真求解,结果如表4所示。

表4 电枢喉部厚度对接触特性的影响

由上表可知,平均接触压强和平均接触压力随电枢喉部导孔半径的增大而减小,电枢臂的最大形变量和最大等效应力随电枢喉部导孔半径的增大而增大。由电枢磁感应强度云图可知,在通电阶段,电流密度主要集中于电枢喉部,即电枢喉部厚度的增加可改善枢轨间电接触性能。同时随着电枢喉部厚度的增加,电枢臂的最大形变量及最大等效应力均减小。

因此适当增大电枢喉部厚度不仅可以改善枢轨间的电接触性能,同时使电枢结构更加稳定,在电磁发射过程中能够有效降低枢轨烧蚀、磨损及转捩等情况的发生。

5 结论

在过盈装配和电磁力的共同作用下,对双曲结构四轨电磁发射装置的发射过程进行多场耦合仿真,研究了双曲电枢结构的动态接触特性。主要结论总结如下:

①在电枢过盈量设计中,充分考虑通电接触特性的影响,提出了迭代仿真法,计算出双曲电枢最优过盈量为0.34 mm。

②过盈量主要决定电枢的启动性能;电枢喉部主要用于承受大电流以及强磁场所带来的应力;电枢臂末端主要用于传导大电流,电枢头部对通电接触特性影响较小。

③在一定范围增大电枢臂末端厚度可在一定程度上改善电流导通效果,但同时使电枢臂外扩现象加剧,加重接触面磨损与烧蚀。

④在一定范围内增大电枢喉部厚度不仅可以改善枢轨间的电接触性能,同时使电枢结构更加稳定。