軌道電磁炮技術的多場耦合及溫度仿真

作者：范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS)

電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大炮將燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場產生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，與傳統的化學推動的大炮相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

2007年1月16日，美國海軍研究辦公室剪彩用一門90毫米口徑的試驗型電磁炮發射1發高速炮彈穿透了儀式彩帶。這發炮彈在炮口的初始動能達到7.4兆焦，初速度達每秒2146米；2008年，美國海軍測試的電磁炮樣炮的動能達到10.64兆焦，初速達到每秒2520米；2010年12月，美國海軍的電磁炮測試中，一門測試的電磁炮取得了33兆焦的最大動能，創下了已經公開的電磁炮的世界紀錄。

電磁炮的基本原理如圖所示，利用兩根通電平行金屬軌道產生的電磁力來推動無裝藥炮彈射擊.

炮彈的出口速度理論上最大可達到7馬赫，射程最遠超過400公里，目前多國海軍都在積極發展電磁軌道炮，電磁炮是用電磁系統中的電磁場所產生的洛倫茲力來推動炮彈發射。理論上，只要足夠的電力，足夠的線圈，足夠硬度和熔點的材料，電磁炮的威力就沒有極限。但是由于炮彈后面部分必須為導體，傳遞導軌兩側的電流，電流過大導致導軌發熱嚴重，兩次發射必須有足夠的時間間隔，以降溫和為電容充電，準備下一次的發射。

由于電磁炮的溫度問題導致發射效率不會太高，因此我們從仿真角度來模擬炮彈發射過程中的炮筒溫度發熱傳遞效果，仿真涉及到電磁場仿真、機構運動仿真、溫度場仿真，而且在短時間內進行多種場的耦合分析，還要考慮各個場之間的數據對應，這為仿真計算帶來了一定的難度，下面從ANSYS workbench仿真來模擬這個過程.

---

1.發熱原理

電磁炮的炮筒發熱主要由以下幾部分構成

（1）大電流在導軌上的傳遞，產生的焦耳熱，由于炮彈的出膛時間較短，但是其電流過大，需要考慮發射時間的影響

（2）炮彈后側導電體橫截面積較小，而且持續通大電流，產生高溫，需要考慮該部分導體向側面的穩定傳導效果

（3）炮彈和導軌之間的滑動連接，必然導致導軌和炮彈后側導體之間產生電火花放電，電弧是高溫等離子體，需要考慮高溫的熱傳導效果

（4）炮彈和導軌之間的高速摩擦產生的摩擦生熱導致導軌高溫

---

2.電磁仿真

電磁仿真需要計算的是電磁炮彈在導軌中的受力。由于導軌為平行導軌，炮彈受到的推力為恒定的電磁力，在電磁場中建立三維仿真模型，由于炮彈后側部分根據圖中所示為連接兩側的導體，建立模型如圖所示，建立相應的網格模型。（本次分析假定采用尺寸為導軌間距90mm，炮彈質量5.67Kg，電流為10KA）

電磁仿真模型

網格模型

邊界條件（藍色部分為導體）

由于電流較大，加載一個大電流在導軌上，計算磁場。計算磁場分布和洛侖茲力，結果如下圖所示。圖中可以看到炮彈的后方磁場強度最大，正式由于該位置的電動力，推動了炮彈的加速，進而達到預定的速度。電流密度可以看出導體部分電流密度均勻，而炮彈后方由于導體橫截面積較小，故其電流密度較大，發生熱量也相對集中。

經過計算，獲取炮彈部分的推力，提取相應的推力結果為2600N

磁場密度

電流密度

---

3.炮彈運動計算

根據牛頓第二定理，可以計算出炮彈的加速度a，得到加速度結果為458.39m/s2，根據公式可以得到相應的炮筒內的運行時間，假定炮筒長度為10m，則根據公式可以得到運行的時間為0.2s，出炮口的速度為91m/s?？梢娫撍俣染嚯x大功率電磁炮的速度還是有一段距離的，本次分析的數據為假定的數據，故結果有一定的偏差。

位移和時間的關系

---

4.電熱、結構和溫度耦合仿真

根據前面的結果可以獲取電磁炮彈的受力以及移動位移和時間的關系，這些數據都是運動相關的結果，那么根據發熱原理，可以知道溫度的仿真需要考慮電流的焦耳熱、摩擦熱、電弧高溫熱、高溫物體熱傳導。這些結果在仿真分析中，我們采用直接耦合的方法來完成，即電熱結構耦合場分析.為了展示動態效果，本次分析采用瞬態分析，查看運動和溫升的過程.

4.1分析模型

仿真模型采用2D模型，并且由于上下對稱采用一半的模型來分析，簡化分析過程和計算時間，模型如圖所示

2D仿真模型

模型網格劃分-對稱顯示

4.2分析單元及材料

在ANSYS中可以完成電熱結構耦合的分析三維的為226單元，二維的分析采用223單元.

材料設定為銅導體，設置材料相應的密度，彈性模量、電阻率、熱傳導系數、比熱容等與電、熱、結構分析相關的物理屬性。

4.3邊界條件的設定

本次瞬態仿真分析考慮的因素較多，因此從以下幾個方面來考慮仿真設置。

（1）材料按照實際情況給定不同的物體。

（2）炮彈和導軌的接觸需要修改相關接觸單元的關鍵字，更改為考慮摩擦，設置摩擦系數0.3；考慮電流的傳導，更改關鍵字考慮電流傳遞；考慮熱量的傳遞，更改接觸關鍵字設置相應的熱阻或完好接觸來傳遞熱量。

（3）炮彈運動的加載，可以加載受力值或者根據位移計算結果直接加載炮彈的位移和時間的關系曲線；

電流的加載，根據實際情況給導軌和炮彈的端面和對稱面分別施加電流和電壓，使電流在導體中可以了傳導，加載不需要考慮磁場效果，因此直接加載直流電即可；

接觸面熱量的加載，由于摩擦生熱和電弧高溫根據實際情況和炮彈模型的實際尺寸，我們可以換算成炮彈和導軌接觸面之間的熱通量，據此，我們加載相應的熱通量為5e5w/m2；

求解設置，根據實際情況，求解時間應為0.065S,很短的時間，由于時間過短，則電流的升溫和熱傳遞效果不能很好的展示，本次分析將時間放大到1秒，查看運動過程中溫度的傳遞效果

5.電熱、結構、溫度仿真結果

5.1位移分析

位移結果根據運動理論可以獲取相關的數值，本次分析結果如圖所示

運動過程

---

5.2電流密度結果

由于炮彈在移動過程中電流的 流動是不斷更新，跟進炮彈部分的導體，故電流是一個動態的過程，其電流密度如圖所示，根據某一時刻的結果可以看到電流在炮彈拐角處其電流密度較大，相應的發熱量也會增大.

電流密度移動過程

局部電流密度

5.3發熱功率密度

根據以上的電流密度結果可以獲取相應的導體的發熱功率，結果如圖所示，根據結果可以看到，導軌部分電流均勻，發熱功率也較為均勻.而炮彈的后側導體部分由于橫截面積較小，發熱功率較大，相應的根據電流密度在其拐角處電流密度也較大.

5.4溫度結果

根據以上的邊界條件，考慮電流發熱、摩擦生熱、高溫熱傳導和位移等結果，獲取相應的溫度結果如下圖所示，根據局部發達圖可以看到，最高溫度發生在炮彈的后方和導軌的接觸位置，由于該位置是電流集中，熱量集中，摩擦生熱集中的位置，而導軌又是可以相對位置變化的，而炮彈是持續加熱的，故該位置溫度最大

溫度隨時間變化的過程

局部放大圖

---

5.總結

在ANSYS中可以采用以上方法計算電磁力獲取相應的動力學特性，再根據直接耦合方法獲取相應的溫度場分布，獲取動態效果，查看溫度的傳遞運動過程。

該方法可以較好的展示移動熱源或恒定溫度沿著另一物體移動，電流接觸是變化的移動過程，查看這幾種場的耦合分析效果。

作者：大龍貓-范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS)

碩士，從事電氣行業耦合場仿真，個人微信號 fwz0703 ，

主要應用為ANSYS Workbench界面下的各個模塊的使用，包括靜力學分析，動力學分析，電磁場分析, 溫度場分析，以及電磁-熱-結構-流體 耦合場分析等；主要涉及到的仿真為電氣或汽車等通用零產品的分析計算，包括剛度，熱應力，電磁力，拓撲優化等

主要使用軟件：ANSYS Workbench，Emag，Maxwell，Fluent，CFX， DM，Ls-dyna等

專注于仿真分析，歡迎大家共同討論學習，如有問題請回復郵件 fwz0703@163.com。