电磁发射中枢轨接触界面金属液化层特性的实验与理论研究

发布时间：2020-10-22 15:20

　　 电磁轨道炮是一种大电流高速度的极限滑动电接触。在脉冲电流的作用下,固体电枢受到电磁推力高速前进,电枢轨道接触界面承受的电流密度以及耐热强度接近材料的极限,并在电枢的接触界面产生熔化,使原本的固-固接触状态变为固-液-固接触状态,这种电接触状态的转变对电枢轨道电接触界面的稳定性有着非常重要的影响。由于枢轨接触界面金属液化层动态特性的影响,枢轨界面可能因液化层的不稳定而失接触,导致转捩的发生。转捩是制约电磁轨道炮实用化的主要瓶颈,转捩与电枢轨道接触界面的熔化金属液化层稳定性紧密相关,因此枢轨界面金属液化层产生特性、动态特性以及稳定性的深入研究,对探索转捩发生的机制和抑制转捩的发生有着非常重要的意义。 本文通过发射实验研究了枢轨接触界面电流熔蚀效应(低速阶段或者低速发射)以及摩擦熔化磨损效应(高速阶段或者高速发射),针对发射实验后回收电枢接触表面的轮廓测量和发射前后接触表面的形貌对比,分析了电流熔蚀规律和高速摩擦熔化磨损规律,研究了金属液化层的产生和发展过程,提出了电枢接触表面电流熔蚀的三种形式,总结了金属液化层的产生机理和产生特性。 针对电磁发射中大电流、高速度等特性,建立金属液化层的磁-弹性流体动力学模型,并利用电枢尾翼悬臂梁等效模型对液化层动态特性进行了模拟,结合枢轨系统中的电磁场模块、弹性流体力学模块、固体力学模块以及传热学模块进行了耦合迭代,金属液化层的膜厚与压强分布达到平衡。针对平衡后的金属液化层,利用能量方程计算液化层中温度分布,并通过界面的温度分布分析了该模型下的金属液化层产生量。针对金属液化层的磁-弹流动压模型的理论分析,利用COMSOL多物理场仿真软件进行耦合迭代实现。通过大量不同枢轨相对速度下的计算与对比,分析了枢轨界面金属液化层的动态特性。在建立的模型下,金属液化层的膜厚和压强都随枢轨相对速度的增加而增大,最大膜厚位于电枢尾翼端部,约为194μm,最大压强位于电枢尾翼接触面头部,约为3.3×108Pa。 考虑到电磁发射中大电流、高速度等特性,枢轨界面的金属液化层可能处于层流失稳的状态。借鉴流体湍流模型对金属液化层进行等效处理并综合考虑其他相关影响因素,将液化层的粘滞系数由0.0045Pa.s增加到0.017Pa.s,热传导系数由90.97W/m/K增加到363.88W/m/K,轨道等效导热系数由400W/m/K变为40W/m/K以及电枢的累积体温度由常温变为673K。在考虑湍流效应的模型下,计算的金属液化层产生量与实验测量结果十分接近,金属液化层的压强、压强梯度、金属液化层厚度以及有效沉积高度等特性参量都有所增加。 通过对有效沉积高度的定义计算了模型中的液化层沉积量,并将液化层产生量与沉积量进行对比,提出枢轨界面金属液化层稳定运行的条件。在文中建立的枢轨接触系统下,如果将实验测量数据作为产生量,则当电枢的速度达到2050m/s时,液化层的沉积量大于产生量,枢轨界面的电接触将不稳定；如果将考虑湍流效应模型的计算结果作为产生量,则当电枢速度达到2000m/s时,枢轨界面的电接触将不稳定,转捩可能发生。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TJ866
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 课题的研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
2 枢轨接触界面液化层产生特性的实验研究
    2.1 电枢表面电流熔蚀特性的实验研究
    2.2 枢轨高速滑动摩擦特性的实验研究
    2.3 枢轨界面熔化磨损机理的分析
    2.4 本章小结
3 枢轨接触界面金属液化层磁-弹流动压模型
    3.1 枢轨界面金属液化层流体动压模型
    3.2 枢轨接触系统磁扩散模型
    3.3 枢轨界面金属液化层厚度分布计算模型
    3.4 枢轨界面金属液化层能量转化和传递模型
    3.5 磁-弹流动压模型的多物理场耦合模型
    3.6 枢轨接触界面金属液化层的沉积模型
    3.7 本章小结
4 液化层磁-弹流动压模型的动态特性研究
    4.1 金属液化层磁-弹流动压模型建立和计算条件
    4.2 电接触系统磁扩散计算及分析
    4.3 金属液化层的动态润滑特性分析
    4.4 金属液化层温度分布计算及热量分析
    4.5 本章小结
5 枢轨接触界面金属液化层的稳定性分析
    5.1 枢轨接触界面动态稳定性分析
    5.2 枢轨接触界面金属液化层供求稳定性分析
    5.3 本章小结
6 考虑湍流效应的磁-弹流动压模型润滑特性研究
    6.1 金属液化层磁-弹流动压模型参数的调整
    6.2 考虑湍流效应模型下金属液化层的动态润滑特性
    6.3 考虑湍流效应模型下金属液化层的稳定性分析
    6.4 本章小结
7 全文总结和展望
    7.1 全文工作总结
    7.2 本文的创新点
    7.3 研究工作展望
致谢
参考文献
附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
附录2 攻读学位期间参与的主要科研项目

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张颂超;;精炼铝合金新方法[J];机械制造;1981年06期

2 ;第二篇 电磁自动搅拌[J];航空工艺技术;1976年05期

3 张维业;;浇注安全操作[J];工业安全与防尘;1988年11期

4 汪海云,寇勤;单向纤维增强金属基复合材料金属液相浸渗方向对浸渗压力的影响[J];机械工程师;1998年S1期

5 王仲珏,许忠胜;层流态下实现金属液重力自补在铸造塑材压合机上压板上的应用[J];安徽机电学院学报(自然科学版);1997年02期

6 张景辉;贾均;王奇伟;;金属液充填密堆粒子能力的研究[J];机械工程师;1988年02期

7 ;第四章 压射比压和金属液的喷射速度[J];贵州机械;1977年03期

8 张鑫赟;陈默;周学;翟国富;梁安生;;触点金属液桥试验系统的研究[J];低压电器;2014年04期

9 龙春深;;金属液的連铸装置[J];重型机械译丛;1966年12期

10 李国禄,刘金海;连续铸管金属液面的检测系统[J];工业计量;1998年03期

相关博士学位论文 前1条

1 汤亮亮;电磁发射中枢轨接触界面金属液化层特性的实验与理论研究[D];华中科技大学;2015年

相关硕士学位论文 前7条

1 赵清;双金属液—液复合耐磨锤头的研究与开发[D];河南科技大学;2015年

2 占小奇;镁/铝双金属液固复合界面组织结构和性能研究[D];合肥工业大学;2015年

3 李峰;振动激发金属液形核理论基础研究[D];昆明理工大学;2008年

4 张斌;电磁场作用下液体金属液面运动及控制规律的研究[D];大连理工大学;2002年

5 唐艳丽;水射法生产钢丸工艺过程研究[D];山东理工大学;2009年

6 王松伟;永磁螺旋模式磁场驱动金属液流动的研究[D];钢铁研究总院;2013年

7 于梅;金属液在充型和凝固过程中夹杂物运动的数值模拟[D];沈阳工业大学;2007年

本文编号：2851767