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轨道电磁炮技术的多场耦合仿真----电热 结构 温度耦合

1月前浏览7326

本文摘要(由AI生成):

本文首先获取了炮弹部分的推力结果,并据此计算了炮弹的加速度和运动时间。然后,通过电热、结构和温度耦合仿真分析了炮弹在炮筒内的运动过程中的发热和温度分布。仿真结果表明,最高温度出现在炮弹后方与导轨的接触位置,这是由于电流集中、热量集中和摩擦生热集中所致。通过直接耦合方法,可以较好地展示移动热源或恒定温度沿着另一物体移动的动态效果,以及电流接触变化的移动过程。该方法对于分析电磁炮等设备的电热结构耦合问题具有重要的应用价值。

轨道电磁炮技术的多场耦合及温度仿真

作者:范文哲

       电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同,电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速,使其达到打击目标所需的动能,与传统的火药推动的大炮相比,电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。

     2007年1月16日,美国海军研究办公室剪彩用一门90毫米口径的试验型电磁炮发射1发高速炮弹穿透了仪式彩带。这发炮弹在炮口的初始动能达到7.4兆焦,初速度达每秒2146米;2008年,美国海军测试的电磁炮样炮的动能达到10.64兆焦,初速达到每秒2520米;2010年12月,美国海军的电磁炮测试中,一门测试的电磁炮取得了33兆焦的最大动能,创下了已经公开的电磁炮的世界纪录。

     电磁炮的基本原理如图所示,利用两根通电平行金属轨道产生的电磁力来推动无装药炮弹射击.

        

      炮弹的出口速度理论上最大可达到7马赫,射程最远超过400公里,目前多国海军都在积极发展电磁轨道炮,电磁炮是用电磁系统中的电磁场所产生的洛伦兹力来推动炮弹发射。理论上,只要足够的电力,足够的线圈,足够硬度和熔点的材料,电磁炮的威力就没有极限。但是由于炮弹后面部分必须为导体,传递导轨两侧的电流,电流过大导致导轨发热严重,两次发射必须有足够的时间间隔,以降温和为电容充电,准备下一次的发射。

       由于电磁炮的温度问题导致发射效率不会太高,因此我们从仿真角度来模拟炮弹发射过程中的炮筒温度发热传递效果,仿真涉及到电磁场仿真、机构运动仿真、温度场仿真,而且在短时间内进行多种场的耦合分析,还要考虑各个场之间的数据对应,这为仿真计算带来了一定的难度,下面从ANSYS workbench仿真来模拟这个过程.


1.发热原理

          电磁炮的炮筒发热主要由以下几部分构成

(1)大电流在导轨上的传递,产生的焦耳热,由于炮弹的出膛时间较短,但是其电流过大,需要考虑发射时间的影响

(2)炮弹后侧导电体横截面积较小,而且持续通大电流,产生高温,需要考虑该部分导体向侧面的稳定传导效果

(3)炮弹和导轨之间的滑动连接,必然导致导轨和炮弹后侧导体之间产生电火花放电,电弧是高温等离子体,需要考虑高温的热传导效果

(4)炮弹和导轨之间的高速摩擦产生的摩擦生热导致导轨高温


2.电磁仿真

       电磁仿真需要计算的是电磁炮弹在导轨中的受力。由于导轨为平行导轨,炮弹受到的推力为恒定的电磁力,在电磁场中建立三维仿真模型,由于炮弹后侧部分根据图中所示为连接两侧的导体,建立模型如图所示,建立相应的网格模型。(本次分析假定采用尺寸为导轨间距90mm,炮弹质量5.67Kg,电流为10KA)

电磁仿真模型

网格模型

边界条件(蓝色部分为导体)

       由于电流较大,加载一个大电流在导轨上,计算磁场。计算磁场分布和洛仑兹力,结果如下图所示。图中可以看到炮弹的后方磁场强度最大,正式由于该位置的电动力,推动了炮弹的加速,进而达到预定的速度。电流密度可以看出导体部分电流密度均匀,而炮弹后方由于导体横截面积较小,故其电流密度较大,发生热量也相对集中。

       经过计算,获取炮弹部分的推力,提取相应的推力结果为2600N

磁场密度

电流密度


3.炮弹运动计算

       根据牛顿第二定理,可以计算出炮弹的加速度a,得到加速度结果为458.39m/s2,根据公式可以得到相应的炮筒内的运行时间,假定炮筒长度为10m,则根据公式可以得到运行的时间为0.2s,出炮口的速度为91m/s。可见该速度距离大功率电磁炮的速度还是有一段距离的,本次分析的数据为假定的数据,故结果有一定的偏差。

位移和时间的关系


4.电热、结构和温度耦合仿真

         根据前面的结果可以获取电磁炮弹的受力以及移动位移和时间的关系,这些数据都是运动相关的结果,那么根据发热原理,可以知道温度的仿真需要考虑电流的焦耳热、摩擦热、电弧高温热、高温物体热传导。这些结果在仿真分析中,我们采用直接耦合的方法来完成,即电热结构耦合场分析.为了展示动态效果,本次分析采用瞬态分析,查看运动和温升的过程.

4.1分析模型

         仿真模型采用2D模型,并且由于上下对称采用一半的模型来分析,简化分析过程和计算时间,模型如图所示

2D仿真模型

模型网格划分-对称显示

4.2分析单元及材料

     在ANSYS中可以完成电热结构耦合的分析三维的为226单元,二维的分析采用223单元.设置相应的关键字为电压、结构、温度耦合。

      材料设定为铜导体,设置材料相应的密度,弹性模量、电阻率、热传导系数、比热容等与电、热、结构分析相关的物理属性。

4.3边界条件的设定

    本次瞬态仿真分析考虑的因素较多,因此从以下几个方面来考虑仿真设置。

(1)材料按照实际情况给定不同的物体。

(2)炮弹和导轨的接触需要修改相关接触单元的关键字,更改为考虑摩擦,设置摩擦系数0.3;考虑电流的传导,更改关键字考虑电流传递;考虑热量的传递,更改接触关键字设置相应的热阻或完好接触来传递热量。

(3)炮弹运动的加载,可以加载受力值或者根据位移计算结果直接加载炮弹的位移和时间的关系曲线;

         电流的加载,根据实际情况给导轨和炮弹的端面和对称面分别施加电流和电压,使电流在导体中可以了传导,加载不需要考虑磁场效果,因此直接加载直流电即可;

         接触面热量的加载,由于摩擦生热和电弧高温根据实际情况和炮弹模型的实际尺寸,我们可以换算成炮弹和导轨接触面之间的热通量,据此,我们加载相应的热通量为5e5w/m2;

        求解设置,根据实际情况,求解时间应为0.065S,很短的时间,由于时间过短,则电流的升温和热传递效果不能很好的展示,本次分析将时间放大到1秒,查看运动过程中温度的传递效果

5.电热、结构、温度仿真结果

5.1位移分析

位移结果根据运动理论可以获取相关的数值,本次分析结果如图所示

运动过程


5.2电流密度结果

      由于炮弹在移动过程中电流的 流动是不断更新,跟进炮弹部分的导体,故电流是一个动态的过程,其电流密度如图所示,根据某一时刻的结果可以看到电流在炮弹拐角处其电流密度较大,相应的发热量也会增大.

电流密度移动过程

局部电流密度

5.3发热功率密度

       根据以上的电流密度结果可以获取相应的导体的发热功率,结果如图所示,根据结果可以看到,导轨部分电流均匀,发热功率也较为均匀.而炮弹的后侧导体部分由于横截面积较小,发热功率较大,相应的根据电流密度在其拐角处电流密度也较大.


5.4温度结果

根据以上的边界条件,考虑电流发热、摩擦生热、高温热传导和位移等结果,获取相应的温度结果如下图所示,根据局部发达图可以看到,最高温度发生在炮弹的后方和导轨的接触位置,由于该位置是电流集中,热量集中,摩擦生热集中的位置,而导轨又是可以相对位置变化的,而炮弹是持续加热的,故该位置温度最大

温度随时间变化的过程

局部放大图


5.总结

        在ANSYS中可以采用以上方法计算电磁力获取相应的动力学特性,再根据直接耦合方法获取相应的温度场分布,获取动态效果,查看温度的传递运动过程。

       该方法可以较好的展示移动热源或恒定温度沿着另一物体移动,电流接触是变化的移动过程,查看这几种场的耦合分析效果。

作者:范文哲

MeshingMechanical APDL
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2019-06-28
最近编辑:1月前
范文哲
硕士 | 仿真工程师 专注于ANSYS workbench系列软件
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未登录
12条评论
WiN
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1月前
老师好,我想问一下,这个仿真过程Maxwell+瞬态热+瞬态结构就可以实现吗,需要用到编程嘛
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Z xy
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1年前
这个真的很有意思
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1年前
老师您好,请问下您这个案例有教程出售吗?
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以爱之名欢迎您
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2年前
请问一下怎么做到在瞬态结构分析模块里面显示电流密度结果的?
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w
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2年前
这个例子很不错啊,可以出一个视频课程吗
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可乐不加冰
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2年前
您这个是用什么软件?ANSYS apdl应该不支持运动导体的电磁计算才对啊
回复 2条回复
allan11800
天道酬勤
4年前
强,学习的方向
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ansys
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4年前
您好这个案例在workbench50讲里有吗
回复 2条回复
清风徐来
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4年前
老师 您求求或者**多少,有项目想和您合作
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苏礼季
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4年前
这个例子源文件能发一个给我吗?谢谢
回复 1条回复
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