电磁发射用紧凑型高重复频率脉冲线圈动态力学特性研究

In this paper, the mechanical characteristics of the compact high repetition rate pulsed coil for electromagnetic launch are studied systematically, which provides a new idea for the design, failure analysis and life estimation of pulse coil. In the case that the existing research results can not accurately describe the dynamic elastic-plastic mechanical properties and failure process of the high repetition frequency pulse coil, this project proposes a design requirement and a distributed cooling channel layout with high repetition frequency, The calculation model of the electrical and structural parameters of the pulse coil is derived and the structural design of the pulse coil is realized. On this basis, the simulation model of the electromagnetic-temperature-stress-fluid multi-physics coupling model and the simulation model of the elastic-plastic dynamic response of the pulsed coil are deduced. The failure process is used to describe the failure process of the pulse coil at the high repetition frequency. The above-mentioned model and failure criterion are used to analyze the production process of the pulse coil and the influence of the parameters in the discharge process. Finally, the pulse coil dynamic test platform is set up. Carry out relevant test verification.

本项目针对电磁发射所用紧凑型高重复频率脉冲线圈力学特性进行深入系统研究，为脉冲线圈的结构设计、失效分析和寿命估算提供新思路。在现有研究成果无法准确描述高重复发射频率脉冲线圈的动态弹塑性力学特性及失效过程的情况下，本项目提出具有高重复发射频率脉冲线圈的设计要求和分布式冷却通道的布局，推导脉冲线圈的电气和结构参数计算方程，实现脉冲线圈的结构设计；在此基础上，推导脉冲线圈电磁-温度-应力-流体多物理场耦合仿真模型和弹塑性动态响应仿真模型，提出脉冲线圈新的失效准则，以准则描述脉冲线圈在高重复发射频率下失效过程；利用上述模型和失效准则，分析脉冲线圈的制作工艺和放电过程中参数对其失效影响，最后，搭建脉冲线圈动态试验平台，并进行相关试验验证。

首先对电磁线圈发射装置中高重复频率脉冲线圈所处的物理环境进行分析，提出高重复频率脉冲线圈设计的基本要求，首次在脉冲线圈内部设计分布式冷却通道，基于等效热路法，初步建立单次和多次发射脉冲线圈稳态导热模型；在此基础上，推导脉冲线圈轴向长度、径向厚度和层间加固层厚度的计算方程；充分考虑脉冲线圈实际结构，推导更为精确的考虑了趋肤效应、磁致电阻效应和热效应的影响脉冲线圈的电阻和电感计算公式，从而初步确定高重复频率脉冲线圈的电气和结构基本参数。 . 然后根据脉冲线圈放电工作原理，建立脉冲线圈瞬态电磁场、温度场和流场的数学模型，分析这三者相互耦合的参数关系，提出载荷传递方法，在此基础上，基于ANSYS有限元软件，利用APDL语言编写相对应的载荷传递的程序，建立更为精确的脉冲线圈电磁-温度-流场耦合动态仿真模型，详细分析高重复频率脉冲线圈冷却特性。. 在上述分析基础上，充分考虑初始载荷、电磁力载荷和温度载荷等因素的影响，基于材料弹塑性理论，建立脉冲线圈弹塑性动态响应数学模型，采用有限元方法，分析不同应力—应变塑性模型、导体等弹塑性材料的Bauschinger效应对动态响应的影响，同时基于该模型，首次提出脉冲线圈新的失效准则：导体等弹塑性材料的失效用最大等效塑性应变超过材料的极限塑性应变—应变失效准则，绝缘封装等正交各项异性弹性材料的失效用最大Von-Mises等效应力超过材料的极限抗拉强度—应力失效准则。. 在上述研究内容基础上，采用脉冲线圈新的失效准则深入分析制作工艺到放电过程对脉冲线圈失效的作用机理。分析导体层和加固层中的预应力对脉冲线圈失效的影响；分析轴向施加压力对脉冲线圈失效的影响；分析锻炼放电和额定放电过程对脉冲线圈失效的影响。. 最后利用实验室已搭建多级脉冲线圈动态发射试验平台，在理论推导和计算仿真的基础上展开相应的试验，验证上述所提出各种计算方法、分析的正确性和有效性。