炮口感应装定线圈的安装角度

李　亮，崔鹏飞

(西安机电信息技术研究所，西安　710065)



【装备理论与装备技术】

炮口感应装定线圈的安装角度

李亮，崔鹏飞

(西安机电信息技术研究所，西安710065)

炮口感应装定可以逐发修正炮口初速，炮口制退器形状不合或不允许使用炮口制退器时只好将装定线圈装在炮口侧面，作非共轴感应装定。非共轴感应装定对炮口线圈安装角度要求非常高，并且没有设计规范。为此，通过有限元分析软件ANSYS仿真优选出非共轴感应装定线圈的安装角度应为60°。仿真与测试表明，在炮口装定线圈与身管夹角为60°时，磁场分布最为合适，空间装定窗口区间最大。

引信；电磁感应装定；三维；仿真

炮口感应装定可以逐发修正炮口初速，目前国内外研究的一个共同点是装定线圈与接收线圈是共轴的，当炮口制退器形状不合适或者不允许使用炮口制退器时，则无法使用。针对此问题，将装定线圈装在炮口侧面，即非共轴感应装定。非共轴感应装定的装定线圈在炮口安装的角度不同，产生的磁场大小亦不同。为此，通过有限元分析软件ANSYS，建立发射线圈三维模型，对发射线圈的磁场分布进行分析和计算，并对在不同角度下的发射线圈的磁场进行比较，优选非共轴感应装定线圈的最合适安装角度。

1　共轴和非共轴感应装定和仿真方法

1.1共轴感应装定

图1所示为一共轴式炮口感应装定的原理图。发射线圈装在炮口处，接收线圈装在炮弹上，随炮弹发射过程中穿过发射线圈。根据电磁感应定律，装定信息在炮弹穿越发射线圈过程中完成。

图1　共轴式感应装定

由于磁场的轴对称性，将三维磁场简化成二维平面磁场进行分析且仅计算截面的四分之一区域，其有限元模型如图2所示。给发射线圈施加电压、电流载荷和磁场边界等条件，形成的磁场如图3所示。

图2　线圈有限元模型

图3　线圈磁力线分布

二维设计的局限性在于发射线圈的ANSYS二维仿真设计仅能获取到所在的xoy平面方向的磁场分布，不能够在同一个模型中获取立体空间中的任意方向上的分量。

1.2非共轴感应装定

图4为一非共轴式炮口感应装定的基本模型，坐标系原点O为炮口平面的几何中心点。发射线圈装在炮管侧壁上，其中发射线圈和炮管平面之间的夹角θ可以任意变化，但发射线圈不能超出炮口平面所在的平面。炮管外径为0.12m，接收线圈是一个外径为0.03m，内径为0.024m，高为0.001 5m的线圈，其轨迹可以看做是沿炮管中心轴线，即图中Z轴正方向做匀速直线运动。接收线圈很小，可以以接收线圈几何中心在运动路线上磁场的变化近似表示接收线圈的磁场变化，即发射线圈在Z轴正方向上的磁场分布引起接收线圈的磁场变化。

图4　非共轴式炮口感应装定

1.3ANSYS仿真方法

根据ANSYS软件原理，采用三维静态节点法进行分析，选取SOLID97单元作为发射线圈和空气模型单元。发射线圈选取AX、AY、AZ、VOLT自由度，空气模型选取AX、AY、AZ自由度。设发射线圈为一个空心圆柱线圈，外径长为0.08m，匝数为50匝，每匝通过均匀电流为1A，在材料属性设置中设发射线圈的电阻率为3×108Ω·m，相对磁导率为1.0，空气相对磁导率为1.0。选择默认的6级智能划分水平，对发射线圈进行映射网格划分，网格划分完后，对发射线圈加载电流载荷，在加载项中选择给Y轴方向上加载电流值。对于边界条件，空气模型包裹了发射线圈模型，在空气模型外界面上设磁力线为0，它满足第一类齐次边界条件AZ=0，给空气模型施加磁力线平行边界条件FluxParl，最后选择STATIC分析类型，求解得到仿真模型。

图5　线圈模型及磁场分布

2　仿真优选线圈安装角度

发射线圈的三维仿真模型可以取空间中任意路径上的磁场分布，为了获取在不同角度下发射线圈的磁场强度分布，且便于比较，在ANSYS仿真中首先确定某一路径，然后通过建立局部坐标系建立不同夹角下的发射线圈模型。以10°为单位，根据夹角θ从0°到90°的变化分别建立发射线圈模型，施加载荷后依次得到发射线圈在炮管中心轴线上的磁场分布。选取直线路径为从原点(0,0,0)到点(0,0,0.5)。获取不同角度下该路径上的磁场分布图，并进行比较分析。

对不同角度下的发射线圈进行仿真，在所选取路径上的磁场分布如图6～图15，图中横坐标是米/m，纵坐标是特斯拉/T。

图6　0°磁场分布

图7　10°磁场分布

图8　20°磁场分布

图9　30°磁场分布

图10　40°磁场分布

图11　50°磁场分布

图12　60°磁场分布

图13　70°磁场分布

图14　80°磁场分布

图15　90°磁场分布

由上述所获取到的磁场分布图可以看出，随着发射线圈和炮管平面之间的夹角θ从0°到90°变化，磁场强度的极大值呈现先减小再增大的趋势，最大值为1.507×10-3T，并且每条路径上的极大值出现在距离炮口平面中心原点0.1m范围内，随着夹角θ增大，极大值出现也愈来愈接近原点的位置，但磁场分布曲线的变化愈陡，根据毕奥―萨伐尔(Biot-Savart)定律，当Z>R时，发射线圈的磁感应强度为：

(1)

其中R是线圈半径，Z是空间一点距线圈中心距离。当夹角θ变化，炮管中心轴线相对于发射线圈的位置发生变化，发射线圈在炮管中心轴线上的磁场分布随之变化。因此要根据实际工程应用的需要确定装定窗口，在极大值满足的情况下选择尽量平缓的曲线分布，确定装定窗口。

在每一角度下得到的磁场分布曲线上，从起点坐标到0.2m等间距选取9个点，每条磁场分布曲线的各点的磁场强度如表1(单位为10-4T):

(2)

在式子(2)中以接收线圈几何中心在运动路线上磁场的变化近似表示整个接收线圈的磁场变化，其中ε为接收线圈的感应电压值，n为接收线圈的匝数， R为接收线圈的外径，B为发射线圈在某点的磁场强度。

表1　0°～90°各点的磁场强度

利用OriginLab软件，通过上述的采样点对B和t的函数关系进行拟合，分别得到在不同角度下的B和t有关的函数B=f(t)。通过Matlab对函数B=f(t)进行求导并得到其导数的函数曲线，即可得到接收线圈在不同角度下的感应电压变化分布曲线，进而确定装定窗口。图16～图25为不同角度下的接收线圈上的感应电压分布曲线。设炮弹速度为1 000m/s，图中横坐标单位为10-1m，数量级为，纵坐标单位为10-4V。

图16　0°感应电压

图17　10°感应电压

图18　20°感应电压

图19　30°感应电压

图20　40°感应电压

图21　50°感应电压

图22　60°感应电压

图23　70°感应电压

图24　80°感应电压

图25　90°感应电压

由上述得到的不同角度下的接收线圈的感应电压分布曲线，根据实际装定要求确定装定窗口。设能够保证与接收线圈相联接的引信内部负载回路正常工作的最小值εk为1mv，利用Matlab软件对每个角度下的感应电压进行计算比较，得出每条路径上值为εk的点的纵坐标位置，然后换算成有效装定区间长度，因此各个角度下的有效磁场装定区间长度L如表2，单位为cm。

表2　有效磁场装定区间长度

综上所述，当炮弹初速度是1 000m/s，夹角为60°时，有效装定区间长度值最大，在满足装定条件下选取的空间装定窗口最为合适。因此确定当夹角为60°时，有最优的空间装定窗口。

3　电路验证

在实际工程中由于接收线圈的磁通量很难直接测量，所以通过测量接收线圈的感应电压计算磁通量及磁场强度，设计相关电路和制作线圈，发射线圈外径长为0.08m，匝数为50，接收线圈外径长为0.03m，匝数为100。将发射线圈连接上电路，接通外接电源。外接电压为5V，发射线圈上接1Ω电阻，测量电阻两端电压。在示波器实际测量中由于以10°为递增步长不容易实现，因此选取0°、30°、60°、90°四个角度下进行测量。得到如图26～图29所示，εk为1mV，通过示波器测量整理数据如表3。

图26　0°

图27　30°

图28　60°

图29　90°

Θ0°30°60°90°L9.14.710.64.2

由表3数据可得当夹角为60°时，装定区间长度最大。

4　结论

本文通过有限元分析软件ANSYS，当炮弹初速度是 1 000m/s时，优选出非共轴感应装定线圈的安装角度为60°。仿真与分析表明，在炮口装定线圈与身管夹角为60°时，磁场分布最佳，空间装定窗口区间最大。

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(责任编辑周江川)

AngleofCoilonMuzzleInductionSetting

LILiang,CUIPeng-fei

(Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology,Xi’an710065,China)

Themuzzlevelocitycanbemodifiedbythemuzzleinductionsetting,andthecoilisinstalledattheoutsideofthemuzzlewhenthemuzzlebrakeisnotallowedortheshapeofthemuzzlebrakeisinappropriate.Theangleofthecoilonthenon-coaxialinductionsettingisveryimportantbutthereisnotechnicalstandards.ThepowerfulfiniteelementanalysissoftwareANSYSwasemployedtorecalculatewhentheappropriateangleis60°.Themagneticfieldandthesettingwindowisappropriatewhentheangleofthecoilandtheartillerybarrelis60°.

fuze;electromagneticinductionsetting; 3D;simulation

2016-04-29；

2016-05-16

李亮(1984—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事机械电子工程研究。

10.11809/scbgxb2016.09.009

format:LILiang,CUIPeng-fei.AngleofCoilonMuzzleInductionSetting[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):36-42.

TJ430.6

A

2096-2304(2016)09-0036-07

本文引用格式：李亮,崔鹏飞.炮口感应装定线圈的安装角度[J].兵器装备工程学报，2016(9):36-42.