增强型电磁轨道炮的多物理场耦合仿真研究
发布时间：2021-11-22 07:25
电磁轨道发射技术是二十世纪初初期被提出来并且迅速发展的一项非常重要的工程技术。经过近两百年的探索和研究,该项技术已经逐渐发展壮大,并在航空航天、高压物理、材料科学、军工武器等方面展现了巨大的潜力。特别是在武器方面,电磁发射技术主要有线圈炮、重接炮和轨道炮三种形式,其中轨道炮最简单且容易达到超高的发射速度。相比于传统火炮,电磁轨道炮具有性能优良,出口速度高,操控性好等诸多优点。但是电磁轨道炮容易出现电枢融化、轨道刨削、电枢转捩等现象,严重影响电磁轨道炮的能量转换效率和出口速度。本文以增强型电磁轨道炮为研究对象,通过研究电磁轨道炮的工作机理,建立系统相关数学模型,搭建Matlab/Simulink系统仿真模型并以仿真结果为初始条件通过Ansys workbench仿真平台进行多物理场的耦合仿真计算进行性能研究分析。首先,研究增强型电磁轨道炮的结构与工作机理,推导出电枢所受电磁力、摩擦阻力、空气阻力、运动过程以及枢轨电压降的数学模型,结合电容电路等电气模型在Matlab/Simulink中搭建系统仿真模型,通过增强型电磁轨道炮的机电系统仿真模型计算得到增强型电磁轨道炮工作过程中的电流特性曲线...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁发射的应用领域
燕山大学工程硕士学位论文-4-炮将2g铝环加速到5000m/s的速度[15]。1972年美国宇航局提出用电刷来换向的线圈炮，但由于线圈炮供电与结构复杂，使得其发展逐渐停滞[16]。图1-3线圈炮原理图1.2.3重接炮重接炮实际上是一种特殊的感应型线圈炮，重接炮与线圈炮相比，重接炮的驱动线圈的极性和排列与线圈炮不同，而且重接炮弹丸一般是抗磁材料的实心良导体，重接炮的工作原理为“磁力线重接”[17]。重接炮由一对或者多对线圈和实心的弹丸组成，如图1-4所示，以单级重接炮为例，上下为两个对称放置的驱动线圈，中间为抗磁材料的实心弹丸，弹丸靠外力进入到上下驱动线圈的间隙之间，当弹丸到达线圈中间位置时，驱动线圈立即充电并且使电流达到最大值，当弹丸后边与线圈后边重合时，电流瞬间断开，此时，由于磁力线不能在电流断开的瞬间通过抗磁材料的弹丸，所以上下线圈分别自成磁力线回路，当弹丸继续向前运动时，磁力线绕过弹丸后边弯曲重接，弯曲的磁力线有拉直的趋势，从而推动弹丸加速前进将电能转换为弹丸的动能[18]。重接炮最早在1986年有考恩等人提出，并在美国申请了专利，由于重接炮没有炮管，可以用来加速的磁能体积比其他种类的电磁炮大很多，电能损失又少，单位长度转换为弹丸动能的能量高，弹丸受力波动孝均匀，但是重接炮的控制相比要复杂很多[19]。相比之下，轨道炮结构相对简单，控制相对容易，经过多年的研究，电磁轨道炮技术已经取得了一些成果[20]。本文选择增强型电磁轨道炮作为研究对象，从电磁尝温度场和结构场等方面进行仿真分析，研究在发射过程中的电磁场分布，温度变化以
第1章绪论-7-世界上最知名的电磁轨道发射器科研机构[39]。图1-4通用原子技术公司（GA）研制的“Blitzer”轨道炮在二十世纪八九十年代，IAT就对电磁轨道发射装置相关技术投入了大量人力物力，并开发和实验了多种结构形状的电枢，并对电磁轨道发射装置进行了大量研究，IAT是美国对电磁轨道研究最全面的机构[40]；ISL代表着欧洲对电磁轨道发射装置的科研水平，ISL主要对电磁轨道的发射装置和多发射模式进行了大量的研究，其采用六棱柱电枢完成了电磁轨道炮的三连发[41]。并且ISL还提出了通过电磁轨道发射装置进行小型卫星发射的构想，目前ISL规模最大的电磁轨道发射装置是“PEGASUS”，其电源能量可达10MJ，发射0.7kg弹丸可达1.5km/s[42]。NRL与美国许多科研机构进行合作，并资助了众多的电磁轨道发射研究项目，而NRL本身则对电磁轨道炮的材料进行大量的研究，NRL研制的MaterialsTestingFacility电磁轨道发射装置试验系统就是针对轨道材料进行测试研究的[43]。除了以上三个机构外，美国陆军研究实验室（U.S.ArmyResearchLaboratory，ARL）、伊朗ImamKhomeini大学、美国海军研究生院（NavalPostgraduateSchool,NPS）等机构也在电磁轨道炮方面进行大量的研究，2012年英国BAE公司研制出了32MJ工业级轨道炮[44]；同时，通用原子技术公司（GA）也研制了出了电磁轨道炮，并命名为“Blitzer”，如图1-4所示，该轨道炮的弹丸出口速度达到了2.4km/s，打击范围超过200km[45]。2015年美国海军进行了电磁轨道炮的全参数发射试验，并计划再2018年对DD（X）驱逐舰装备，该电磁轨道炮的战术指标为：每分钟6到12发，电源能级为200MJ，炮弹出口速度达到2.5km/s，炮弹总质量为20kg，最大射程300km以上，命中误差在3m以内，在炮弹命中目标时，能量不小
【参考文献】：
期刊论文
[1]增强型电磁轨道发射器重要参数分析及优化[J]. 贺景瑞,李小将,李志亮. 火炮发射与控制学报. 2019(01)
[2]Analysis and discussion on launching mechanism and tactical electromagnetic railgun technology[J]. Bao-ming Li,Qing-hua Lin. Defence Technology. 2018(05)
[3]增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析[J]. 贺景瑞,李小将. 兵工自动化. 2018(08)
[4]串联增强型四极轨道发射器电磁推力仿真[J]. 苗海玉,刘少伟,刘明,杨志勇. 空军工程大学学报(自然科学版). 2018(03)
[5]串联并列轨道炮特征参数对电密分布的影响[J]. 邢彦昌,吕庆敖,雷彬,向红军,杜传通. 火炮发射与控制学报. 2018(02)
[6]电磁轨道发射状态下的复合导轨动态响应研究[J]. 田振国,孟晓永,安雪云,白象忠. 兵工学报. 2017(04)
[7]晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响分析[J]. 李贞晓,张亚舟,倪琰杰,栗保明. 兵工学报. 2016(09)
[8]400kA通流能力的电磁炮俯仰型旋转电连接装置[J]. 董志强,黄凯,陈彦辉,任人,刘金钢,李媛. 高电压技术. 2016(09)
[9]考虑缠绕预应力的轨道炮身管复合外壳渐进损伤分析[J]. 尹冬梅,栗保明. 兵工学报. 2016(06)
[10]一种同轴线圈——轨道复合型电磁炮[J]. 黄子帆,潘爱琼,郑喜贵,刘军. 信息通信. 2016(06)
硕士论文
[1]增强型电磁轨道发射装置受力及变形研究[D]. 关继红.燕山大学 2017
[2]多极矩电磁推进系统参数优化与特性分析[D]. 汪治全.西南交通大学 2016
[3]超导脉冲电源供电的轨道型电磁发射系统研究[D]. 梁斯庄.浙江大学 2016
[4]圆膛四轨电磁轨道炮的动力学建模与仿真[D]. 贾义政.南京理工大学 2015
[5]新型电磁发射器关键技术的研究[D]. 李孟龙.哈尔滨工业大学 2013
[6]不同载荷压力下电磁发射装置的形变计算及瞬态响应分析[D]. 张博阳.燕山大学 2013
[7]电磁发射轨道受不同移动压力的数学模型及动态响应分析[D]. 张立功.燕山大学 2012
[8]电磁轨道发射系统动态性能研究[D]. 谌建民.西南交通大学 2010
[9]螺旋线圈式电磁炮发射机理与静动态电磁特性研究[D]. 郑明华.国防科学技术大学 2010
[10]不同型电磁发射装置含阻尼力的数学模型构建[D]. 石蕾.燕山大学 2010
本文编号：3511215
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁发射的应用领域
燕山大学工程硕士学位论文-4-炮将2g铝环加速到5000m/s的速度[15]。1972年美国宇航局提出用电刷来换向的线圈炮，但由于线圈炮供电与结构复杂，使得其发展逐渐停滞[16]。图1-3线圈炮原理图1.2.3重接炮重接炮实际上是一种特殊的感应型线圈炮，重接炮与线圈炮相比，重接炮的驱动线圈的极性和排列与线圈炮不同，而且重接炮弹丸一般是抗磁材料的实心良导体，重接炮的工作原理为“磁力线重接”[17]。重接炮由一对或者多对线圈和实心的弹丸组成，如图1-4所示，以单级重接炮为例，上下为两个对称放置的驱动线圈，中间为抗磁材料的实心弹丸，弹丸靠外力进入到上下驱动线圈的间隙之间，当弹丸到达线圈中间位置时，驱动线圈立即充电并且使电流达到最大值，当弹丸后边与线圈后边重合时，电流瞬间断开，此时，由于磁力线不能在电流断开的瞬间通过抗磁材料的弹丸，所以上下线圈分别自成磁力线回路，当弹丸继续向前运动时，磁力线绕过弹丸后边弯曲重接，弯曲的磁力线有拉直的趋势，从而推动弹丸加速前进将电能转换为弹丸的动能[18]。重接炮最早在1986年有考恩等人提出，并在美国申请了专利，由于重接炮没有炮管，可以用来加速的磁能体积比其他种类的电磁炮大很多，电能损失又少，单位长度转换为弹丸动能的能量高，弹丸受力波动孝均匀，但是重接炮的控制相比要复杂很多[19]。相比之下，轨道炮结构相对简单，控制相对容易，经过多年的研究，电磁轨道炮技术已经取得了一些成果[20]。本文选择增强型电磁轨道炮作为研究对象，从电磁尝温度场和结构场等方面进行仿真分析，研究在发射过程中的电磁场分布，温度变化以
第1章绪论-7-世界上最知名的电磁轨道发射器科研机构[39]。图1-4通用原子技术公司（GA）研制的“Blitzer”轨道炮在二十世纪八九十年代，IAT就对电磁轨道发射装置相关技术投入了大量人力物力，并开发和实验了多种结构形状的电枢，并对电磁轨道发射装置进行了大量研究，IAT是美国对电磁轨道研究最全面的机构[40]；ISL代表着欧洲对电磁轨道发射装置的科研水平，ISL主要对电磁轨道的发射装置和多发射模式进行了大量的研究，其采用六棱柱电枢完成了电磁轨道炮的三连发[41]。并且ISL还提出了通过电磁轨道发射装置进行小型卫星发射的构想，目前ISL规模最大的电磁轨道发射装置是“PEGASUS”，其电源能量可达10MJ，发射0.7kg弹丸可达1.5km/s[42]。NRL与美国许多科研机构进行合作，并资助了众多的电磁轨道发射研究项目，而NRL本身则对电磁轨道炮的材料进行大量的研究，NRL研制的MaterialsTestingFacility电磁轨道发射装置试验系统就是针对轨道材料进行测试研究的[43]。除了以上三个机构外，美国陆军研究实验室（U.S.ArmyResearchLaboratory，ARL）、伊朗ImamKhomeini大学、美国海军研究生院（NavalPostgraduateSchool,NPS）等机构也在电磁轨道炮方面进行大量的研究，2012年英国BAE公司研制出了32MJ工业级轨道炮[44]；同时，通用原子技术公司（GA）也研制了出了电磁轨道炮，并命名为“Blitzer”，如图1-4所示，该轨道炮的弹丸出口速度达到了2.4km/s，打击范围超过200km[45]。2015年美国海军进行了电磁轨道炮的全参数发射试验，并计划再2018年对DD（X）驱逐舰装备，该电磁轨道炮的战术指标为：每分钟6到12发，电源能级为200MJ，炮弹出口速度达到2.5km/s，炮弹总质量为20kg，最大射程300km以上，命中误差在3m以内，在炮弹命中目标时，能量不小
【参考文献】：
期刊论文
[1]增强型电磁轨道发射器重要参数分析及优化[J]. 贺景瑞,李小将,李志亮. 火炮发射与控制学报. 2019(01)
[2]Analysis and discussion on launching mechanism and tactical electromagnetic railgun technology[J]. Bao-ming Li,Qing-hua Lin. Defence Technology. 2018(05)
[3]增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析[J]. 贺景瑞,李小将. 兵工自动化. 2018(08)
[4]串联增强型四极轨道发射器电磁推力仿真[J]. 苗海玉,刘少伟,刘明,杨志勇. 空军工程大学学报(自然科学版). 2018(03)
[5]串联并列轨道炮特征参数对电密分布的影响[J]. 邢彦昌,吕庆敖,雷彬,向红军,杜传通. 火炮发射与控制学报. 2018(02)
[6]电磁轨道发射状态下的复合导轨动态响应研究[J]. 田振国,孟晓永,安雪云,白象忠. 兵工学报. 2017(04)
[7]晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响分析[J]. 李贞晓,张亚舟,倪琰杰,栗保明. 兵工学报. 2016(09)
[8]400kA通流能力的电磁炮俯仰型旋转电连接装置[J]. 董志强,黄凯,陈彦辉,任人,刘金钢,李媛. 高电压技术. 2016(09)
[9]考虑缠绕预应力的轨道炮身管复合外壳渐进损伤分析[J]. 尹冬梅,栗保明. 兵工学报. 2016(06)
[10]一种同轴线圈——轨道复合型电磁炮[J]. 黄子帆,潘爱琼,郑喜贵,刘军. 信息通信. 2016(06)
硕士论文
[1]增强型电磁轨道发射装置受力及变形研究[D]. 关继红.燕山大学 2017
[2]多极矩电磁推进系统参数优化与特性分析[D]. 汪治全.西南交通大学 2016
[3]超导脉冲电源供电的轨道型电磁发射系统研究[D]. 梁斯庄.浙江大学 2016
[4]圆膛四轨电磁轨道炮的动力学建模与仿真[D]. 贾义政.南京理工大学 2015
[5]新型电磁发射器关键技术的研究[D]. 李孟龙.哈尔滨工业大学 2013
[6]不同载荷压力下电磁发射装置的形变计算及瞬态响应分析[D]. 张博阳.燕山大学 2013
[7]电磁发射轨道受不同移动压力的数学模型及动态响应分析[D]. 张立功.燕山大学 2012
[8]电磁轨道发射系统动态性能研究[D]. 谌建民.西南交通大学 2010
[9]螺旋线圈式电磁炮发射机理与静动态电磁特性研究[D]. 郑明华.国防科学技术大学 2010
[10]不同型电磁发射装置含阻尼力的数学模型构建[D]. 石蕾.燕山大学 2010
本文编号：3511215
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