电枢装配后接触压力不均匀特性研究*

舒 涛,刘 明,陈青荣,丁日显,赵 杰

(空军工程大学防空反导学院, 西安 710051)

0 引言

电磁轨道发射作为一种新兴的发射方式,突破了传统发射方式的局限,引起了世界多国军方的重视[1-2]。但随着科技的进步和战争方式的转变,仅仅依靠动能摧毁目标已经不能满足作战需求,利用电磁轨道发射具有自主摧毁目标的智能导弹成为新的作战样式[3]。传统轨道发射器轨道之间电磁环境十分恶劣,易对智能弹药造成破坏,影响导弹性能的发挥,甚至使其失去制导能力[4-6]。六极轨道环向排列,相邻轨道间电流相反,使得电枢中心磁场得以抵消,实现弹药位置的磁场屏蔽,同时相比于传统轨道发射器,它的结构更加稳定,电枢受力更大。

发射过程中,电枢的性能状态对发射的影响巨大,只有保证电枢与轨道良好的接触状态,才能确保发射的成功率[7-9]。电枢与轨道间保持良好的金属-金属接触,才能避免发生转捩现象,电枢与轨道之间的初始接触压力大小和分布对转捩现象有重大影响[10-13]。初始接触压力大小与分布及电枢的结构尺寸有关,合理的电枢结构尺寸能保证电枢与轨道之间压力分布均匀,从而抑制发射过程中转捩现象的发生。因此研究电枢与轨道的接触特性对于电枢的设计和发射效率的提高有着重要意义。在发射过程中,由于速度趋肤效应和不均匀的接触特性容易造成枢轨接触面电流分布集中,从而导致烧蚀和转捩现象,严重影响电磁发射过程,所以对电枢接触特性的研究显得十分重要。

文中首先给出六极轨道电磁发射器电枢模型,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench模拟发射初期的电枢装配过程,获取装配过程接触压力变化情况以及装配完成后电枢与轨道接触面压力分布,提出表征接触压力不均匀特性的横向不均匀系数和纵向不均匀系数。根据控制变量法,研究电枢主要尺寸对两个不均匀系数的影响规律,结果可以为电枢的优化设计提供参考。

1 电枢装配仿真模型

六极轨道电磁发射器电枢基本结构如图1所示,选取电枢的六分之一模型如图2所示,基本结构参数已在图中标注。

图1 电枢模型

图2 六分之一电枢结构尺寸

从图1可以看出电枢是一个高度对称的结构,电枢的中空设计是为装载导弹,6个滑行接触面是分别与六极轨道相连接,轨道之间的引流弧可以引导电枢内部电流走向,提高电流的利用效率。由于电枢是关于中心高度对称的,故图2选取六分之一电枢模型,图中：dt为电枢滑行接触面长度；ds为尾翼长度；d0为尾翼厚度；h为电枢头部厚度；r为电枢头部与尾翼接触处的圆角半径；Δ为电枢尾翼过盈量。

利用有限元分析软件ANSYS Workbench,模拟发射初期电枢与轨道的接触压力分布特性。仿真中将轨道视为刚体,将电枢视为弹性形变体,电枢的材料为铝,杨氏弹性模量为70 GPa,泊松比为0.33,材料密度为2 700 kg/m3,电枢与轨道间接触有摩擦,摩擦系数为0.05,网格划分的最小单位是5 mm,采用紧固式装配方案。

2 电枢装配接触特性分析

选取电枢尺寸h为0.2 m,d0为0.1 m,ds为0.2 m,r为0.1 m,Δ为5 mm,轨道宽度和滑行接触面宽度一致,长度稍长于滑行接触面长度,利用有限元软件ANSYS Workbench进行仿真运算。装配中将电枢固定,轨道向电枢方向移动,轨道往电枢方向在1 s的时间内总共移动5 mm,一共分为10步,即每步移动0.5 mm,选取轨道移动2 mm、3 mm、4 mm和5 mm时电枢与轨道接触表面的范氏等效应力图如图3所示。

图3 电枢接触面压力等效云图

轨道与电枢装配起始阶段,电枢与轨道的接触在尾翼末端且接触面小,电枢受到的应力主要集中在电枢尾翼末端,随着轨道继续向电枢移动,接触面积逐渐增加,应力集中区域也由电枢尾翼末端向电枢中部转移,电枢尾翼逐渐与轨道接触分离,最终轨道与电枢的接触区域集中在电枢中部,接触面上等效应力最大值分布在电枢中部外侧,且上下对称分布。在整个过程中等效应力最小值从电枢头部转移至尾翼末端,接触区域由接触面尾部转移到头部。

为了便于量化分析电枢与轨道接触面的不均匀特性,引入两个不均匀系数,这两个不均匀系数分别为p1/pmax和dc/dt。如图4和图5所示,它们为电枢与轨道装配完成后接触面等效压强分布云图,两图区别在于图4相比图5显示得更精确。

图4中p1表示枢轨接触面中心线上等效压强的最大值,pmax表示整个枢轨接触面上压强的最大值,图5中dc为接触面上等效压强值大于最大压强值三分之一数值的接触面长度,dt为枢轨接触面的总长度,故两个不均匀系数p1/pmax和dc/dt分别表征接触面接触压强的纵向不均匀程度和横向不均匀程度。易知,这两个不均匀系数的取值范围都在0～1之间,不均匀系数的取值越大,越接近于1,则对应分布的不均匀程度越小,即分布越均匀,这两个不均匀系数分别从横纵两方面反映枢轨接触面接触压强分布不均匀程度。通过图4和图5计算易得电枢接触面纵向不均匀系数为0.87,横向不均匀系数为0.58,即电枢接触面纵向较为均匀,横向均匀特性较差。

图4 电枢装配完成后接触面压力等效云图

图5 三级标尺接触面压力等效云图

3 电枢尺寸变化对接触特性影响规律

改变电枢的某一尺寸,保持其它结构参数及仿真条件等不变,获得电枢尺寸改变对纵向不均匀系数和横向不均匀系数的影响规律。

3.1 头部厚度对不均匀特性影响规律

根据控制变量法,保持其它条件不变,电枢头部厚度h变化范围是(0.16 m,0.24 m),仿真获得电枢头部厚度对接触面不均匀特性影响规律如图6所示。

由图6可知,随着h的增大,横向不均匀系数和纵向不均匀系数都增大,纵向不均匀系数增大的速度慢慢减小,而横向不均匀系数增大的速度维持不变。现象表明：随着电枢头部厚度增加,电枢装配后接触面横向和纵向接触特性变好。但考虑到电枢整体柔顺性和电枢通流负载能力,在实际中要兼顾选择电枢头部尺寸。

图6 头部厚度对横纵不均匀系数影响规律

3.2 尾翼长度对不均匀特性影响规律

根据控制变量法,保持其它条件不变,电枢尾翼长度ds变化范围是(0.16 m,0.24 m),仿真获得电枢尾翼长度对接触面不均匀特性影响规律如图7所示。

图7 尾翼长度对横纵不均匀系数影响规律

由图7可知,随着ds的增大,横向不均匀系数和纵向不均匀系数都减小,纵向不均匀系数增大的速度慢慢增大,而横向不均匀系数增大的速度变化较小。现象表明：随着电枢尾翼长度增加,电枢装配后接触面横向和纵向接触特性变差。但考虑到电枢与轨道接触面积和电流进入电枢路径的影响,在实际中要兼顾选择电枢尾翼长度。

3.3 尾翼厚度对不均匀特性影响规律

根据控制变量法,保持其它条件不变,电枢尾翼厚度d0变化范围是(0.08 m,0.12 m),仿真获得电枢尾翼厚度对接触面不均匀特性影响规律如图8所示。

图8 尾翼厚度对横纵不均匀系数影响规律

由图8可知,随着d0的增大,横向不均匀系数增大,纵向不均匀系数减小。相比而言,改变相同的尾翼厚度,横向不均匀系数变化程度较纵向不均匀系数大,上图中横向不均匀系数变化了0.16,而纵向不均匀系数才变化0.08。现象表明：随着电枢尾翼厚度增加,电枢装配后接触面横向压强分布变得更均匀,而纵向压强分布变得不均匀,也说明电枢尾翼厚度对不均匀特性的影响具有双向性,尾翼厚度增加对横向压强分布有利,对纵向压强分布不利。

3.4 圆角半径对不均匀特性影响规律

根据控制变量法,保持其它条件不变,电枢圆角半径r变化范围是(0.08 m,0.12 m),仿真获得电枢圆角半径对接触面不均匀特性影响规律如图9所示。

由图9可知,随着r的增大,横向不均匀系数逐渐增大,且呈线性增长,纵向不均匀系数逐渐减小但改变不明显,几乎维持不变。在图9中,随着电枢圆角半径的增大,横向不均匀系数变大了0.15,而纵向不均匀系数仅减小了0.005。现象表明：随着电枢圆角半径增加,横向不均匀系数变大,纵向不均匀系数维持不变,说明电枢装配后接触面横向压强分布变得更均匀而纵向压强分布维持不变。

图9 圆角半径对横纵不均匀系数影响规律

4 结论

利用有限元分析软件对电枢与轨道的装配过程进行研究,并分析电枢结构尺寸改变对装配后电枢接触面压强分布的影响规律。

1)随着电枢头部厚度增大,横向不均匀系数和纵向不均匀系数都增大,即电枢装配后接触压力分布不均匀程度变小。

2)随着电枢尾翼长度增大,横向不均匀系数和纵向不均匀系数都减小,即电枢装配后接触压力分布不均匀程度变大。

3)随着电枢尾翼厚度增大,横向不均匀系数增大,纵向不均匀系数减小,即电枢装配后接触压力横向分布不均匀程度变小,纵向分布不均匀程度变大。

4)随着电枢圆角半径增大,横向不均匀系数增大,纵向不均匀系数几乎不变,即电枢装配后接触压力横向分布不均匀程度变小,纵向分布不均匀程度不变。