轨道电磁炮技术的多场耦合仿真----电热结构温度耦合

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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