轨道炮枢轨初始接触特性研究

2019-11-08冯建源安韵竹赵文龙胡元潮李文琦

兵器装备工程学报 2019年10期

冯建源，安韵竹，赵文龙，胡元潮，李文琦，井栋

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049； 2.空军研究院，北京 100000)

近年来，电磁发射技术受到越来越多的关注，尤其是用于发射固体电枢的电磁轨道炮，因其优异的性能而得到迅速的发展[1-3]。然而，在发射过程中，电枢-轨道界面接触压力不足导致转捩和轨道烧蚀现象时有发生，为确保电枢-轨道界面的良好接触，接触面需要保持足够的压力大小和均匀的压力分布，而枢轨接触压力及分布同电枢的形状和结构参数相关[4-6]，因此研究枢轨界面的接触问题对于提高电磁发射效率、延长轨道使用寿命、电枢形状设计及结构参数优化等方面具有重大意义[7-9]。C形电枢是一种常用的固体电枢结构类型[10-11]，在发射初期，通过合理的设计固体电枢的过盈量，在与轨道装配后产生机械压力，使电枢与轨道之间保持足够的接触压力，并且可以增大枢轨间接触面积，此时机械压力占主导地位。在发射过程中，由于脉冲电流使C形电枢上产生向外的电磁力，使枢轨接触压力急速增大，电磁力占主导[12-14]。通过使用Marshall提出的“1 g/1 A法则”[15]，可以确定枢轨间因过盈配合产生的机械压力，这表明为避免电流起弧，枢轨接触面每通过1kA的电流至少需要9.8N的接触压力。实际上，为了更有效的消除在轨道发射时的起弧现象，来自过盈配合的接触力要大于法则的规定值。通过调整电枢的结构参数，可以增加接触压力，允许通过的电流也相应增加，但也会使电枢产生不当的形变，导致枢轨间实际接触面积缩减，电流密度相应增加，这将会增大转捩现象的发生率，因此对电枢结构参数的设计尤为重要[16]。

基于以上问题，本文使用ANSYS有限元分析软件，模拟电磁发射初期枢轨界面的初始接触状态，针对C形电枢的不同结构参数，运用正交试验法对枢轨过盈装配进行了二维仿真计算，分析了电枢各参数对枢轨界面接触特性的影响，结果可供实际电枢结构参数设计参考。

1 仿真模型搭建及验证

1.1 仿真模型搭建

为验证ANSYS仿真模型计算结果的有效性，现运用文献[7]中的C形电枢结构进行初步的仿真计算，电枢结构及其参数大小如图1所示，

图1 电枢结构参数示意图

由于轨道和电枢具有对称性，为提高计算效率，采用1/2模型对其进行建模。电枢与轨道通常采用紧固式或填塞式进行装配，紧固式即将电枢先放入炮膛中，通过压缩两侧轨道将电枢固定于两轨道间；填塞式即先固定好轨道，将电枢推入至炮膛内。为与文献[7]中的计算结果进行对比，本文选择紧固式过盈装配，电枢材料为铝，轨道视为刚体。

当轨道分别移动1.2 mm、2.1 mm和3 mm时电枢所受范式应力分布云图如图2所示，从整体上看，随着轨道向电枢不断压缩，电枢上所受的范式应力不断增大，材料更容易发生形变，且电枢与轨道接触面所受的接触压强增大；从局部上看，电枢与轨道的接触开始出现在翼尖部分，如图2(a)所示，枢轨间接触面积较小，此时翼尖部分材料受到较大的屈服力，当轨道移动2.1 mm时，接触面积随之增大，接触区域逐渐趋近于尾翼的中部，翼尖部分范式应力很小，此时翼尖所受接触压强较小，甚至会形成接触分离；当轨道移动至3 mm时，翼尖处范式应力很小的部分面积进一步扩大，表明电枢与轨道间出现接触分离的现象逐渐向电枢尾翼的中部转移。

图2 轨道移动时电枢范式应力分布云图

1.2 仿真模型搭建

通常，研究人员采用试验平台验证仿真模型的有效性。然而，由于搭建试验平台所需成本较高且调试周期过长，故本文采用与文献[7]对比的方法对上节所建有限元模型进行验证。为此，利用所建有限元模型计算了当轨道移动至3 mm时电枢与轨道间的接触压强分布，并与该文献中的计算结果进行对比，如图3所示。

其中横轴代表电枢尾翼长度，横坐标表示尾翼面上各点到翼尖的距离，纵坐标为电枢尾翼所受接触压强大小。由图3中可以看出，本文仿真结果与文献[7]结果大致相同，且随着与翼尖距离的增大，电枢与轨道开始接触后的压强曲线较文献中更加平滑，其计算结果更加精确。经数学积分运算，得到电枢表面受到总接触压力为50.97 kN，与该文献中计算所得的48.76 kN相差不到5%。可见，与ABAQUS计算结果的对比表明了本文采用ANSYS软件所搭建的数值仿真模型具有一定的有效性和准确性，能够用于电磁发射枢轨过盈配合初始特性接触研究。

图3 轨道移动3 mm枢轨界面接触压强

2 基于正交试验的电枢过盈装配分析

2.1 试验因素及水平的选取

针对矩形炮膛30 mm×30 mm的电磁轨道炮，设计了口径大小同轨道相匹配的C形电枢，结构参数如图4所示，肩部宽度为30 mm，即轨道炮内膛宽度，头部宽度为15 mm，头部高度为5 mm，结构参数A为电枢尾翼过盈量大小，B为电枢的翼尖宽度，C为电枢的尾翼长度，D为电枢的翼根宽度，E为电枢的肩部高度。

图4 C形电枢结构参数示意图

在对电枢结构参数初步选择后，选定了过盈量、翼尖宽度、尾翼长度、翼根宽度和肩部高度作为对枢轨界面初始接触影响的5个考察因素，选取四组水平参量，如表1所示。

结合表1中不同结构参数，按照单一变量原则，C形电枢总计有1 024种不同的组合方式。针对参数变化的多样性，本文采用L16(45)正交表，运用有限元分析软件ANSYS进行二维过盈装配仿真的正交试验。由于铜的导电性较好，实际中轨道大多采用铜材料，为了更加切合实际，仿真中轨道材料选择铜，电枢选择铝，其材料参数值如表2所示。轨道的接触属性为目标面，电枢的接触属性为接触面。

表1 试验因素水平

表2 枢轨材料参数值

2.2 正交试验结果及分析

根据表1所表示的电枢结构参数，进行了16种不同结构参数的电枢同轨道的过盈配合仿真，并经过相应积分计算得到了各试验枢轨界面的接触压力，其中正交试验方案及数据如表3所示。

表3 正交试验方案及数据

在表3中运用极差分析法对正交试验结果进行计算分析，kij为第j列因素i水平所对应的试验指标和的平均值，其大小可以判断各因素的优水平和各因素的水平组合，例如k11表示1水平A因素下所受接触压力总和的平均值，即(5.04+7.83+11.60+16.09)/4=10.14kN。Rj为各因素的极差，即第j列因素各水平下kij数值的最大值与最小值之差：

Rj=max(k1j,…,k4j)-min(k1j,…,k4j)

(2)

Rj代表电枢各结构参数对接触压力的影响程度，Rj越大说明影响越大，从计算结果可以看出，电枢各结构参数对接触压力的影响程度依次为D>A>C>B>E。其中电枢过盈量A和翼根宽度D对接触压力大小具有显著性影响，其次是尾翼长度C，而参数翼尖宽度B和肩部高度E在考察范围内影响很小。为了能更直观的分析各水平参数对枢轨接触界面接触压力的影响，根据表3作出正交效应曲线如图5，图中电枢过盈量A从1 mm至4 mm区间内不断增加，电枢与轨道接触面所受的接触压力呈线性增加，且增长速度较快，在4 mm时接触压力达到最大；随着翼尖宽度B在固定区间内变化，其相应的接触压力分别在B1和B3处具有极大值，且二者相差不大，与最小值相差6.06 kN，相对于结构参数ACD而言变化幅度较小，整体上看，随着结构参数B的增加，接触压力变化幅度较小，且具有递减的趋势；接触压力随着尾翼长度C在35 mm到45 mm的增加呈线性减小，在其他结构参数不变的情况下，尾翼长度越长，相应的接触压力越小；翼根宽度D对接触压力具有极其显著的影响，在规定区间内，翼根宽度数值越大，接触压力就越大，且增长速度很快；随着肩部高度E的增加，枢轨面接触压力在E2处达到最大值，但总体上并无显著变化，说明参数E对电枢的接触压力几乎没有影响。

图5 正交效应曲线

2.3 电枢结构参数优化

在电磁发射的过程中，电枢与轨道接触面所受接触压力越大，一般认为接触越好，接触面的接触电阻越小，允许通过的电流就越大。此外，接触磨损可以使电枢产生形变，且接触压力越大，磨损量越大，温度越高，此时材料机械强度降低，电枢在受向前的电磁推力的同时还受电枢尾翼和轨道间摩擦力的影响，电枢尾翼部分容易断裂，从而影响实验的展开。因此在设计电枢结构参数时，关键是根据脉冲电流数值大小，通过“1 g/1 A法则”计算并合理选择枢轨界面的初始接触压力，最终根据计算得到的初始接触压力在电枢结构参数合理的情况下进行电枢的结构参数设计。

假设轨道上加载的脉冲电流峰值大小为800 kA，根据“1 g/1 A法则”可以看出所需要的接触压力与电流之间的关系为：

F=I×10-2N

(1)

通过公式(1)计算得到接触压力为8 kN，从接触安全方面考虑，要保证实际电磁发射中电枢与轨道间不起弧，从而避免转捩现象的发生，接触压力的选择不宜过小；从发射效率方面考虑，接触压力越大导致发射时的阻力过大，导致发射效率降低，严重时会出现电枢尾翼断裂的现象。文献[7]中实验结果发射性能良好，实验中脉冲电流为634 kA，通过公式(1)换算得到不起弧的接触压力为6.34 kN，本文在使用文献中的电枢参数进行仿真后得到电枢与轨道间接触压力为18.33 kN，为公式换算后接触压力的2.89倍，因此为确保轨道炮发射性能及其安全性，本文接触压力取电流换算后接触压力的2.89倍，即取23.12 kN。通过比较，试验10仿真的接触压力最为接近设计值，仿真结果如图6和图7所示。图6为电枢过盈装配范式应力分布云图，其应力最大值主要分布在电枢内侧翼根处，表明翼根处最容易发生形变，此值若远大于电枢材料本身的屈服强度，在发射的过程中很可能引起尾翼断裂的情况，因此在实际的电枢结构参数设计中不同的范式应力分布应结合电枢材料屈服强度合理的进行电枢设计。

图6 电枢过盈装配范式应力分布云图

图7为电枢过盈装配接触面上的压强分布云图，可以看出，接触压强大多分布在电枢接触面的中部区域，接触压强最大值处于尾翼中部偏头部的位置。

图7 电枢过盈装配接触压强分布云图

为了更准确的得到电枢与轨道的接触状况，现将数据进行处理后得到电枢过盈装配接触特性曲线，如图8，电枢与轨道在距离翼尖处10.46 mm开始接触，在32.2 mm处接触分离，接触长度为21.74 mm，其中接触压强在28.68 mm处达到最大值82.25 MPa，最终计算接触压力为24.58 kN，总体上看接触压强分布较为均匀，不会使电流集中于一点，且接触压力达到实验安全标准，基本符合电磁发射的要求。