電磁軌道炮的多物理場仿真設(shè)計(jì)

作者 | Lickim仿真秀專欄作者

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導(dǎo)讀：電磁炮又稱軌道炮、磁道炮，是一種利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁能代替火焰爆炸產(chǎn)生的化學(xué)能推動(dòng)彈藥以高速形式發(fā)射的裝置。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理并不難理解，即在兩條平行的金屬軌道間放置一個(gè)質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸，彈丸底部有一顆移動(dòng)的引導(dǎo)電樞，當(dāng)軌道接入電源后，強(qiáng)大的電流從一條軌道流入，經(jīng)滑塊從另一軌道回流時(shí)，兩軌道平面間產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場能將彈丸迅速彈出，而經(jīng)過一層層線圈磁場的不停加速，彈丸的速度將會(huì)越來越快。

一、認(rèn)識電磁炮

電磁軌道發(fā)射裝置作為一種新概念軍事發(fā)射技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的利用化學(xué)能發(fā)射彈丸時(shí)的速度限制，其基本原理是借助電磁力做功,使裝置的電磁能轉(zhuǎn)化為發(fā)射彈丸的動(dòng)能，它是利用電磁發(fā)射技術(shù)研制的一種具有先進(jìn)動(dòng)能殺傷性武器，其在軍事領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用潛力；傳統(tǒng)的火炮利用火藥產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，而電磁軌道發(fā)射裝置利用的是電磁裝置中電磁場的作用力，由于長時(shí)間作用彈丸進(jìn)而提高了彈丸的射程和出口速度，并由于其未來的價(jià)值而得到世界各國軍事家的高度關(guān)注。

從上世紀(jì)80年代，電磁軌道發(fā)射裝置在未來武器發(fā)展計(jì)劃中所占的比例越來越大，被美國這樣的軍事大國也認(rèn)為是2020年以后的主要軍事武器；電磁軌道發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不僅是高效率、低污染，性能穩(wěn)定及可控性能好，而且對于多級電磁發(fā)射裝置，可以將幾個(gè)彈丸同時(shí)發(fā)射，增強(qiáng)戰(zhàn)斗威力；不僅可發(fā)射克數(shù)量級重量的小彈丸，還可發(fā)射噸級重量的超級威力射彈，令射程、打擊威力和穿透力大大增強(qiáng)。

早在19世紀(jì)，英國偉大科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)位于磁場中的導(dǎo)線在通電時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)線在磁場中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線上同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電流，這既是法拉第電磁感應(yīng)定律，又是電磁發(fā)射裝置的基本原理。電磁發(fā)射裝置可以看做是一種比較特殊的電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)子不是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方式，而是作直線加速運(yùn)動(dòng)的彈丸。

查爾斯·惠斯通于1845年發(fā)明了世界第一臺磁阻直流電動(dòng)機(jī)，它可以把金屬棒發(fā)射到20m遠(yuǎn)的距離；最早提出用電磁推進(jìn)方法制造電氣炮設(shè)想的是德國數(shù)學(xué)家柯比；第一個(gè)正式提出電磁發(fā)射概念并進(jìn)行試驗(yàn)的是挪威物理學(xué)教授伯克蘭，他于1901年獲得“電火炮”專利；1920年法國的福瓊·維萊普勒發(fā)表了《電氣火炮》文章，不久以后美國費(fèi)城的電炮公司便研制出應(yīng)用于火炮的電磁加速器。

二戰(zhàn)期間由于軍事求的刺激，德國、日本也開始了電磁炮的研制；德國漢斯萊研制的電磁發(fā)射裝置可將10g彈丸加速到1.2km/s的初速度。美國國會(huì)一致認(rèn)為以后武器發(fā)展的前提是電能，成立了專門機(jī)構(gòu)來協(xié)調(diào)軍隊(duì)、能源部及戰(zhàn)略防御倡議機(jī)構(gòu)等一切分散進(jìn)行的電磁發(fā)射裝置的研究工作。

我國電磁軌道炮最早被曝光于2016年，根據(jù)衛(wèi)星圖像顯示，我國自主研制的電磁炮長達(dá)33.5米，并在當(dāng)年進(jìn)行了首次試射，25公斤的彈丸被發(fā)射到250公里外的預(yù)定區(qū)域，擊穿了厚達(dá)10米的混凝土標(biāo)靶。

2018年，電磁炮甚至從陸地搬到了海軍072型936“海洋山”號坦克登陸艦作為試驗(yàn)平臺，選用072型登陸艦進(jìn)行測試，而不是909型891“畢昇”號武器試驗(yàn)艦似乎有些奇怪，分析人士認(rèn)為這是因?yàn)?72型登陸艦其甲板下巨大的空間可以用來安裝發(fā)電機(jī)和其他相關(guān)設(shè)備。雖然這項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)度由于保密的原因不得而知，但不管怎么說中國已經(jīng)初步累積了電磁炮上艦的經(jīng)驗(yàn)，亦對003型航母搭載電磁彈射系統(tǒng)（電磁彈射系統(tǒng)亦可視為低階電磁軌道炮）鋪平了道路。

美軍曾設(shè)想將電磁炮安裝在“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦上，但計(jì)劃最終遭到了擱置，美軍認(rèn)為，電磁炮只有在射速達(dá)到10發(fā)/分鐘才能有效的完成對地支援任務(wù)，而炮管壽命要達(dá)到1000發(fā)才符合經(jīng)濟(jì)效益。但在2016年至2017年間幾次海上、陸地測試結(jié)果顯示，其射速只能達(dá)到5發(fā)/分鐘，而炮管平均壽命只有100小時(shí)，實(shí)用性不是一般的差，因此美軍只能將更多的經(jīng)費(fèi)投入到激光武器領(lǐng)域中。

二、電磁軌道炮的多物理場仿真

電磁軌道炮在發(fā)射過程中存在多個(gè)物理場，多個(gè)物理場共同作用較為復(fù)雜，對一種樞軌結(jié)構(gòu)的電磁軌道炮分別從電磁場、溫度場及結(jié)構(gòu)場三個(gè)物理場進(jìn)行研究，Workbench將不同物理場模塊連接起來，實(shí)現(xiàn)多物理場的順序耦合，首先采用Maxwell 3D瞬態(tài)求解器對加載激勵(lì)的軌道、電樞進(jìn)行仿真，計(jì)算其電流及磁場分布等，在電磁場中求解完成后將電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)入溫度場中，在溫度場中求解完成后將熱應(yīng)力與電磁場中電磁力的結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場中進(jìn)行耦合求解，再分別對不同樞軌結(jié)構(gòu)的軌道炮進(jìn)行仿真分析。

本仿真采用ansys2023版本，需安裝ansys2023及ansys EM Suite2023（涉及到電磁部分）。整個(gè)操作在workbench平臺下完成。

通過任意三維軟件建模，模型尺寸如下。

整個(gè)電磁發(fā)射裝置由軌道、電樞組成，選擇銅合金作為軌道的材料，電樞選擇6061鋁合金。軌道作為大電流的載體不僅需要耐磨損耐燒蝕，還需要有良好的導(dǎo)電性，因此選用銅合金。

模型導(dǎo)入

網(wǎng)格劃分

激勵(lì)設(shè)置中，采用電流激勵(lì)。首先設(shè)置Winding，在Winding中導(dǎo)入外部電流曲線，給所建模型加激勵(lì)元（Excitation）。

電流激勵(lì)曲線

1.4ms電磁炮磁場強(qiáng)度云圖

1.4ms軌道電樞電流總體分布圖

1.4ms電樞電流分布云圖

電樞電磁力—時(shí)間變化圖

0.6ms電樞電磁力矢量圖

電磁場計(jì)算完成后，對瞬態(tài)溫度場進(jìn)行設(shè)置，再將電磁場計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入。

將Maxwell中的三維模型導(dǎo)入到瞬態(tài)熱分析模塊中進(jìn)行求解。

模塊網(wǎng)格劃分圖

在計(jì)算電磁場時(shí)，軌道加載高脈沖電流后，軌道及電樞由于自身電阻會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，將電磁場計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入溫度場時(shí)，需在溫度場中導(dǎo)入這部分熱載荷即熱生成如圖所示。

導(dǎo)入的熱生成

0.6ms時(shí)軌道溫度分布

1.988ms電樞溫度分布

在Workbench中將計(jì)算完成的電磁場與溫度場的結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場中。

電磁力導(dǎo)入結(jié)果

溫度導(dǎo)入結(jié)果

通過電磁-熱-結(jié)構(gòu)場的耦合計(jì)算，能夠得到電磁軌道炮部件的應(yīng)力應(yīng)變云圖。由云圖可得，應(yīng)力場的分布與溫度場分布大致相同，電樞所受應(yīng)力大于軌道，表明電樞在電磁力、熱應(yīng)力及預(yù)壓力的共同作用下所受應(yīng)力較大。電樞整體應(yīng)力分布較為對稱，且最大值位于電樞喉部位置，電樞喉部位置最大應(yīng)力值在0.2ms達(dá)到478.9MPa。

0.2ms電樞應(yīng)力分布

軌道應(yīng)變情況

電樞速度

電樞加速度

審核編輯：湯梓紅