電樞裝配后接觸壓力不均勻特性研究*

舒 濤,劉 明,陳青榮,丁日顯,趙 杰

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

0 引言

電磁軌道發(fā)射作為一種新興的發(fā)射方式,突破了傳統(tǒng)發(fā)射方式的局限,引起了世界多國(guó)軍方的重視[1-2]。但隨著科技的進(jìn)步和戰(zhàn)爭(zhēng)方式的轉(zhuǎn)變,僅僅依靠動(dòng)能摧毀目標(biāo)已經(jīng)不能滿足作戰(zhàn)需求,利用電磁軌道發(fā)射具有自主摧毀目標(biāo)的智能導(dǎo)彈成為新的作戰(zhàn)樣式[3]。傳統(tǒng)軌道發(fā)射器軌道之間電磁環(huán)境十分惡劣,易對(duì)智能彈藥造成破壞,影響導(dǎo)彈性能的發(fā)揮,甚至使其失去制導(dǎo)能力[4-6]。六極軌道環(huán)向排列,相鄰軌道間電流相反,使得電樞中心磁場(chǎng)得以抵消,實(shí)現(xiàn)彈藥位置的磁場(chǎng)屏蔽,同時(shí)相比于傳統(tǒng)軌道發(fā)射器,它的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,電樞受力更大。

發(fā)射過(guò)程中,電樞的性能狀態(tài)對(duì)發(fā)射的影響巨大,只有保證電樞與軌道良好的接觸狀態(tài),才能確保發(fā)射的成功率[7-9]。電樞與軌道間保持良好的金屬-金屬接觸,才能避免發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,電樞與軌道之間的初始接觸壓力大小和分布對(duì)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象有重大影響[10-13]。初始接觸壓力大小與分布及電樞的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),合理的電樞結(jié)構(gòu)尺寸能保證電樞與軌道之間壓力分布均勻,從而抑制發(fā)射過(guò)程中轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的發(fā)生。因此研究電樞與軌道的接觸特性對(duì)于電樞的設(shè)計(jì)和發(fā)射效率的提高有著重要意義。在發(fā)射過(guò)程中,由于速度趨膚效應(yīng)和不均勻的接觸特性容易造成樞軌接觸面電流分布集中,從而導(dǎo)致燒蝕和轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,嚴(yán)重影響電磁發(fā)射過(guò)程,所以對(duì)電樞接觸特性的研究顯得十分重要。

文中首先給出六極軌道電磁發(fā)射器電樞模型,利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench模擬發(fā)射初期的電樞裝配過(guò)程,獲取裝配過(guò)程接觸壓力變化情況以及裝配完成后電樞與軌道接觸面壓力分布,提出表征接觸壓力不均勻特性的橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)。根據(jù)控制變量法,研究電樞主要尺寸對(duì)兩個(gè)不均勻系數(shù)的影響規(guī)律,結(jié)果可以為電樞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 電樞裝配仿真模型

六極軌道電磁發(fā)射器電樞基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,選取電樞的六分之一模型如圖2所示,基本結(jié)構(gòu)參數(shù)已在圖中標(biāo)注。

圖1 電樞模型

圖2 六分之一電樞結(jié)構(gòu)尺寸

從圖1可以看出電樞是一個(gè)高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu),電樞的中空設(shè)計(jì)是為裝載導(dǎo)彈,6個(gè)滑行接觸面是分別與六極軌道相連接,軌道之間的引流弧可以引導(dǎo)電樞內(nèi)部電流走向,提高電流的利用效率。由于電樞是關(guān)于中心高度對(duì)稱的,故圖2選取六分之一電樞模型,圖中：dt為電樞滑行接觸面長(zhǎng)度；ds為尾翼長(zhǎng)度；d0為尾翼厚度；h為電樞頭部厚度；r為電樞頭部與尾翼接觸處的圓角半徑；Δ為電樞尾翼過(guò)盈量。

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench,模擬發(fā)射初期電樞與軌道的接觸壓力分布特性。仿真中將軌道視為剛體,將電樞視為彈性形變體,電樞的材料為鋁,楊氏彈性模量為70 GPa,泊松比為0.33,材料密度為2 700 kg/m3,電樞與軌道間接觸有摩擦,摩擦系數(shù)為0.05,網(wǎng)格劃分的最小單位是5 mm,采用緊固式裝配方案。

2 電樞裝配接觸特性分析

選取電樞尺寸h為0.2 m,d0為0.1 m,ds為0.2 m,r為0.1 m,Δ為5 mm,軌道寬度和滑行接觸面寬度一致,長(zhǎng)度稍長(zhǎng)于滑行接觸面長(zhǎng)度,利用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真運(yùn)算。裝配中將電樞固定,軌道向電樞方向移動(dòng),軌道往電樞方向在1 s的時(shí)間內(nèi)總共移動(dòng)5 mm,一共分為10步,即每步移動(dòng)0.5 mm,選取軌道移動(dòng)2 mm、3 mm、4 mm和5 mm時(shí)電樞與軌道接觸表面的范氏等效應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 電樞接觸面壓力等效云圖

軌道與電樞裝配起始階段,電樞與軌道的接觸在尾翼末端且接觸面小,電樞受到的應(yīng)力主要集中在電樞尾翼末端,隨著軌道繼續(xù)向電樞移動(dòng),接觸面積逐漸增加,應(yīng)力集中區(qū)域也由電樞尾翼末端向電樞中部轉(zhuǎn)移,電樞尾翼逐漸與軌道接觸分離,最終軌道與電樞的接觸區(qū)域集中在電樞中部,接觸面上等效應(yīng)力最大值分布在電樞中部外側(cè),且上下對(duì)稱分布。在整個(gè)過(guò)程中等效應(yīng)力最小值從電樞頭部轉(zhuǎn)移至尾翼末端,接觸區(qū)域由接觸面尾部轉(zhuǎn)移到頭部。

為了便于量化分析電樞與軌道接觸面的不均勻特性,引入兩個(gè)不均勻系數(shù),這兩個(gè)不均勻系數(shù)分別為p1/pmax和dc/dt。如圖4和圖5所示,它們?yōu)殡姌信c軌道裝配完成后接觸面等效壓強(qiáng)分布云圖,兩圖區(qū)別在于圖4相比圖5顯示得更精確。

圖4中p1表示樞軌接觸面中心線上等效壓強(qiáng)的最大值,pmax表示整個(gè)樞軌接觸面上壓強(qiáng)的最大值,圖5中dc為接觸面上等效壓強(qiáng)值大于最大壓強(qiáng)值三分之一數(shù)值的接觸面長(zhǎng)度,dt為樞軌接觸面的總長(zhǎng)度,故兩個(gè)不均勻系數(shù)p1/pmax和dc/dt分別表征接觸面接觸壓強(qiáng)的縱向不均勻程度和橫向不均勻程度。易知,這兩個(gè)不均勻系數(shù)的取值范圍都在0～1之間,不均勻系數(shù)的取值越大,越接近于1,則對(duì)應(yīng)分布的不均勻程度越小,即分布越均勻,這兩個(gè)不均勻系數(shù)分別從橫縱兩方面反映樞軌接觸面接觸壓強(qiáng)分布不均勻程度。通過(guò)圖4和圖5計(jì)算易得電樞接觸面縱向不均勻系數(shù)為0.87,橫向不均勻系數(shù)為0.58,即電樞接觸面縱向較為均勻,橫向均勻特性較差。

圖4 電樞裝配完成后接觸面壓力等效云圖

圖5 三級(jí)標(biāo)尺接觸面壓力等效云圖

3 電樞尺寸變化對(duì)接觸特性影響規(guī)律

改變電樞的某一尺寸,保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真條件等不變,獲得電樞尺寸改變對(duì)縱向不均勻系數(shù)和橫向不均勻系數(shù)的影響規(guī)律。

3.1 頭部厚度對(duì)不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞頭部厚度h變化范圍是(0.16 m,0.24 m),仿真獲得電樞頭部厚度對(duì)接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知,隨著h的增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都增大,縱向不均勻系數(shù)增大的速度慢慢減小,而橫向不均勻系數(shù)增大的速度維持不變?，F(xiàn)象表明：隨著電樞頭部厚度增加,電樞裝配后接觸面橫向和縱向接觸特性變好。但考慮到電樞整體柔順性和電樞通流負(fù)載能力,在實(shí)際中要兼顧選擇電樞頭部尺寸。

圖6 頭部厚度對(duì)橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

3.2 尾翼長(zhǎng)度對(duì)不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞尾翼長(zhǎng)度ds變化范圍是(0.16 m,0.24 m),仿真獲得電樞尾翼長(zhǎng)度對(duì)接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 尾翼長(zhǎng)度對(duì)橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

由圖7可知,隨著ds的增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都減小,縱向不均勻系數(shù)增大的速度慢慢增大,而橫向不均勻系數(shù)增大的速度變化較小?，F(xiàn)象表明：隨著電樞尾翼長(zhǎng)度增加,電樞裝配后接觸面橫向和縱向接觸特性變差。但考慮到電樞與軌道接觸面積和電流進(jìn)入電樞路徑的影響,在實(shí)際中要兼顧選擇電樞尾翼長(zhǎng)度。

3.3 尾翼厚度對(duì)不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞尾翼厚度d0變化范圍是(0.08 m,0.12 m),仿真獲得電樞尾翼厚度對(duì)接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 尾翼厚度對(duì)橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

由圖8可知,隨著d0的增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)減小。相比而言,改變相同的尾翼厚度,橫向不均勻系數(shù)變化程度較縱向不均勻系數(shù)大,上圖中橫向不均勻系數(shù)變化了0.16,而縱向不均勻系數(shù)才變化0.08?，F(xiàn)象表明：隨著電樞尾翼厚度增加,電樞裝配后接觸面橫向壓強(qiáng)分布變得更均勻,而縱向壓強(qiáng)分布變得不均勻,也說(shuō)明電樞尾翼厚度對(duì)不均勻特性的影響具有雙向性,尾翼厚度增加對(duì)橫向壓強(qiáng)分布有利,對(duì)縱向壓強(qiáng)分布不利。

3.4 圓角半徑對(duì)不均勻特性影響規(guī)律

根據(jù)控制變量法,保持其它條件不變,電樞圓角半徑r變化范圍是(0.08 m,0.12 m),仿真獲得電樞圓角半徑對(duì)接觸面不均勻特性影響規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知,隨著r的增大,橫向不均勻系數(shù)逐漸增大,且呈線性增長(zhǎng),縱向不均勻系數(shù)逐漸減小但改變不明顯,幾乎維持不變。在圖9中,隨著電樞圓角半徑的增大,橫向不均勻系數(shù)變大了0.15,而縱向不均勻系數(shù)僅減小了0.005?，F(xiàn)象表明：隨著電樞圓角半徑增加,橫向不均勻系數(shù)變大,縱向不均勻系數(shù)維持不變,說(shuō)明電樞裝配后接觸面橫向壓強(qiáng)分布變得更均勻而縱向壓強(qiáng)分布維持不變。

圖9 圓角半徑對(duì)橫縱不均勻系數(shù)影響規(guī)律

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件對(duì)電樞與軌道的裝配過(guò)程進(jìn)行研究,并分析電樞結(jié)構(gòu)尺寸改變對(duì)裝配后電樞接觸面壓強(qiáng)分布的影響規(guī)律。

1)隨著電樞頭部厚度增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都增大,即電樞裝配后接觸壓力分布不均勻程度變小。

2)隨著電樞尾翼長(zhǎng)度增大,橫向不均勻系數(shù)和縱向不均勻系數(shù)都減小,即電樞裝配后接觸壓力分布不均勻程度變大。

3)隨著電樞尾翼厚度增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)減小,即電樞裝配后接觸壓力橫向分布不均勻程度變小,縱向分布不均勻程度變大。

4)隨著電樞圓角半徑增大,橫向不均勻系數(shù)增大,縱向不均勻系數(shù)幾乎不變,即電樞裝配后接觸壓力橫向分布不均勻程度變小,縱向分布不均勻程度不變。