电磁轨道炮身管结构特性及后坐过程研究

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本文针对电磁轨道炮发射过程中身管特性,讨论了电磁轨道炮发射过程中身管受力情况,进一步讨论了基于电磁力计算的身管结构应力、应变及位移的变化情况,分析身管封装性能、电枢冲击下的动态响应及身管后坐运动的变化规律。  1、对于电磁轨道炮身管的封装性能,从电流元法和三维电磁场法两方面给出了导轨及电枢在发射过程中的电磁力计算方法,得到了表征身管各部件的封装性能的各指标(应力、应变、位移)的计算方法。  建立了离散预紧封装方式身管分析模型,在忽略电枢影响的前提下,通过计算结果分析认为:由于螺栓的预紧作用,能够使身管处于预紧状态,能够缓解电流作用时身管的应力、应变及位移状态;导轨及身管部件在电流作用下,应力、应变及位移的增大规律与电流的上升速率一致;但由于螺栓的作用,位移在螺栓位置小于其他位置,而应力、应变则略大于身管其他位置。从整体来看,封装部件的位移量小于导轨的位移量,保证了身管的密封性能。  对于不同的封装方式,在相同的电流激励下,全钢套连续封装方式和螺栓连接离散预紧封装方式的导轨最大位移量的变化规律基本相同,但数值上螺栓连接离散封装方式大于全钢套连续封装方式。电流达到峰值后,螺栓连接离散封装方式下主导轨的最大位移增大更快。对于主导轨的最大应力、应变及身管部件的最大应力、应变,两种封装方式下变化规律和增大速率基本相同,但螺栓连接离散封装方式下略大于全钢套连续封装方式,可以认为两种封装方式基本相同。  2、从电枢瞬态冲击下电磁轨道炮身管强度出发,建立有限元模型,对轨道炮发射过程进行仿真计算,从电枢在膛内的运动规律和身管动态响应两个方面分析电枢冲击对身管强度的影响。  从大变形有限元理论出发,对电枢瞬态冲击下身管强度的计算方法做了简要介绍,从质量守恒、动量守恒、能量守恒、以及本构关系、边界条件、初始条件出发,给出了结构应力、应变及位移的计算方法。  进一步建立电磁轨道炮身管分析模型,分析了电枢在膛内运动不同时刻的应力分布规律和运动规律,以及电枢在膛内运动过程中的振动情况。分析了导轨节点在电枢发射过程中位移变化情况,得到导轨在发射过程中的位移变化规律。分析了身管外壳上最大应力位置的变化规律,认为身管外壳中的应力波的传播是导致最大应力产生及变化的主要原因。因此,身管设计时应注意炮口、炮尾的强度。  将电磁轨道炮身管简化为有弹性基底的悬臂梁结构,电磁力简化为施加在梁表面的移动载荷,推导了电磁轨道炮导轨的振动位移公式,利用分离变量法对导轨位移进行了推导及求解。计算了定加速度条件下导轨的振动位移变化规律,进而分析了身管共振条件下的电枢临界速度,计算了给定身管结构条件下电枢发射的极限速度。  3、针对轨道炮的后坐力,从电磁轨道炮后坐力产生的机理出发,建立了集总参数模型和有限元分析模型,对轨道炮的后坐力进行了分析计算,计算结果认为电磁轨道炮发射时的后坐力主要集中在汇流排上,且后坐力的变化与轨道炮输入的电流变化趋势一致,后坐力的大小与电枢推力基本一致。  进一步分析了后坐力在汇流排上的分布规律,通过建立有限元分析模型,计算了两种汇流方式下汇流排上的电流密度分布和磁感应强度分布规律,得到不同汇流方式下轨道炮的后坐力都主要集中在与导轨接触的部件上;汇流排上各处的后坐力的大小与距离接触位置的距离成反比关系,在与导轨或者引出电极接触的位置出现后坐力极大值。而输电电缆中电流的变化则对汇流排上后坐力分布没有明显改善。  分析了轨道炮后坐运动的特征,将其分为3个时期:电枢膛内运动时期、电枢出膛后残余电能释放时期和惯性后坐时期;进一步将每个时期的后坐运动分为自由后坐运动与制退运动。分别分析3个时期身管后坐的运动特征,根据其运动方程和力学平衡方程,结合内弹道计算结果与发射器总体设计参数求解各时期运动规律。获得了电磁轨道炮发射过程完整的后坐运动曲线与后坐阻力常数。提出了一种轨道炮后坐过程的计算方法,为电磁轨道炮制退机与复进机的设计提供一定的指导依据。  4、简要介绍了电磁轨道炮发射试验系统组成,并开展电磁轨道炮发射试验。使用B-dot探针测量了电磁轨道发射时身管不同位置磁感应强度的变化,进而得到电枢膛内运动的速度、加速度曲线,结合电流波形,推导计算了电枢膛内运动的推力,验证了电枢推力经验公式的正确性,同时验证了仿真计算中电枢底部压力施加公式的正确性。  使用光纤Bragg光栅测量了电磁轨道炮发射时身管管芯缠绕层上不同位置的应变变化,得到了管芯缠绕层处的应变变化规律,并与仿真计算结果进行对比,仿真计算的可靠性得到了验证。
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