高速脉冲大电流下枢轨接触面动态数值计算方法研究

The project provides dynamic calculation method for revealing rail-type electromagnetic launcher ablation and gouging formation mechanism, and intends to systematically study on dynamic simulation method of the armature-rail contact surface in the high-speed pulse current. Presently ,the existing research does not accurately describe armature-rail contact surface dynamic process and is difficult to calculate multi-field coupling field. So,a new type of transient electromagnetic calculation method on armature-rail contact surface in the high speed pulse current is proposed, it could achieve the fast and accurate calculation; The bi-directional coupling calculation method of transient electromagnetic field, temperature field and stress field is proposed, it is a preliminary exploration of electromagnetic field, temperature field and stress field coupling calculation problems; The armature surface transient wearing capacity calculation method is proposed, it could accurately describe the transient armature surface melting wear dynamic process. On the basis of the above studies, the small rail-type electromagnetic launcher is designed, and some experiments are does to verify the calculation method.

本项目针对高速脉冲大电流枢轨接触面动态数值计算方法进行深入系统研究，为揭示导轨式电磁发射装置烧蚀和刨削形成机理提供计算方法。在现有研究成果无法准确描述枢轨接触面动态过程和难以进行多场耦合计算的基础上，本项目提出一种新型高速脉冲大电流下枢轨接触面瞬态电磁场计算方法，以实现其快速准确的计算；提出瞬态电磁场、温度场和应力场双向耦合计算方法，初步探索电磁场、温度场和应力场多场耦合计算问题；提出电枢表面瞬态磨损量的计算方法，以准确描述电枢表面瞬态熔化磨损的动态过程。在以上研究基础上，搭建小型导轨式电磁发射装置，对仿真分析进行相关试验验证。

基于导轨式电磁发射装置实际发射环境和原理，提出导轨式电磁发射装置瞬态电磁场、温度场和应力场耦合计算方法，利用商业ANSYS有限元软件对导轨式电磁发射装置进行网格剖分，建立其电磁场数值计算模型，采用新型规范法则和等效运动带方法来对运动瞬态电磁场控制方程进行简化，并利用APDL语言编写运动瞬态电磁场数值计算程序。然后在瞬态电磁场数值计算模型基础上，利用多场耦合数值计算方法和等效运动带电阻率和热传导率缩比原则，在保持网格划分不变情况下，分析电磁场、应力场和温度场相互影响规律；.在上述分析基础上，总结国内外存在影响转捩发生的机制，分析影响转捩机制因素，找出它们的共同点，即在发生转捩的时候，电枢和轨道之间必然存在由等离子体填充的空间间隙，分析产生等离子体间隙的主要原因，并在此基础上从磨损角度出发，分析电枢与轨道接触面磨损形成过程，提出转捩发生的充分条件。同时，本项目提出一种粗略的方法来考虑机械/磁流体载荷对熔化的影响，即对电枢单元熔化采用新的标准：即不仅单元温度达到材料熔点，还具有最小塑性应变，在这时刻才认为此单元熔化磨损。而最小塑性应变是半经验值，这意味着：对于一定材料电枢来说，如果一旦通过实验分析得到它的最小塑性应变，那么对于它在其他情况下最小塑性应变采用相同的数值；.在上述研究基础上，本项目建立枢轨瞬态电磁场、温度场、应力场和磨损量仿真计算模型，分析不同驱动电流波形、电枢和导轨材料匹配和接触面积参数、电枢和轨道间初始预压力对电磁场、温度场、应力场和熔化磨损量动态冲击响应的影响分布规律。搭建小型导轨式电磁发射装置，并进行相关验证实验，进行电磁轨道炮发射试验，论证仿真计算方法的有效性；并通过实测数据，完善和修正数学模型、仿真计算方法和参数确定方法。通过本项目的研究，初步建立较为精确的导轨式电磁发射装置枢轨间动态数值仿真模型，为揭示导轨式电磁发射装置烧蚀和刨削形成机理奠定理论基础。