電磁軌道炮是一種大電流高速度的極限滑動電接觸。在脈沖電流的作用下,固體電樞受到電磁推力高速前進,電樞軌道接觸界面承受的電流密度以及耐熱強度接近材料的極限,并在電樞的接觸界面產生熔化,使原本的固-固接觸狀態(tài)變?yōu)楣?液-固接觸狀態(tài),這種電接觸狀態(tài)的轉變對電樞軌道電接觸界面的穩(wěn)定性有著非常重要的影響。由于樞軌接觸界面金屬液化層動態(tài)特性的影響,樞軌界面可能因液化層的不穩(wěn)定而失接觸,導致轉捩的發(fā)生。轉捩是制約電磁軌道炮實用化的主要瓶頸,轉捩與電樞軌道接觸界面的熔化金屬液化層穩(wěn)定性緊密相關,因此樞軌界面金屬液化層產生特性、動態(tài)特性以及穩(wěn)定性的深入研究,對探索轉捩發(fā)生的機制和抑制轉捩的發(fā)生有著非常重要的意義。 本文通過發(fā)射實驗研究了樞軌接觸界面電流熔蝕效應(低速階段或者低速發(fā)射)以及摩擦熔化磨損效應(高速階段或者高速發(fā)射),針對發(fā)射實驗后回收電樞接觸表面的輪廓測量和發(fā)射前后接觸表面的形貌對比,分析了電流熔蝕規(guī)律和高速摩擦熔化磨損規(guī)律,研究了金屬液化層的產生和發(fā)展過程,提出了電樞接觸表面電流熔蝕的三種形式,總結了金屬液化層的產生機理和產生特性。 針對電磁發(fā)射中大電流、高速度等特性,建立金屬液化層的磁-彈性流體動力學模型,并利用電樞尾翼懸臂梁等效模型對液化層動態(tài)特性進行了模擬,結合樞軌系統(tǒng)中的電磁場模塊、彈性流體力學模塊、固體力學模塊以及傳熱學模塊進行了耦合迭代,金屬液化層的膜厚與壓強分布達到平衡。針對平衡后的金屬液化層,利用能量方程計算液化層中溫度分布,并通過界面的溫度分布分析了該模型下的金屬液化層產生量。針對金屬液化層的磁-彈流動壓模型的理論分析,利用COMSOL多物理場仿真軟件進行耦合迭代實現(xiàn)。通過大量不同樞軌相對速度下的計算與對比,分析了樞軌界面金屬液化層的動態(tài)特性。在建立的模型下,金屬液化層的膜厚和壓強都隨樞軌相對速度的增加而增大,最大膜厚位于電樞尾翼端部,約為194μm,最大壓強位于電樞尾翼接觸面頭部,約為3.3×108Pa。 考慮到電磁發(fā)射中大電流、高速度等特性,樞軌界面的金屬液化層可能處于層流失穩(wěn)的狀態(tài)。借鑒流體湍流模型對金屬液化層進行等效處理并綜合考慮其他相關影響因素,將液化層的粘滯系數(shù)由0.0045Pa.s增加到0.017Pa.s,熱傳導系數(shù)由90.97W/m/K增加到363.88W/m/K,軌道等效導熱系數(shù)由400W/m/K變?yōu)?0W/m/K以及電樞的累積體溫度由常溫變?yōu)?73K。在考慮湍流效應的模型下,計算的金屬液化層產生量與實驗測量結果十分接近,金屬液化層的壓強、壓強梯度、金屬液化層厚度以及有效沉積高度等特性參量都有所增加。 通過對有效沉積高度的定義計算了模型中的液化層沉積量,并將液化層產生量與沉積量進行對比,提出樞軌界面金屬液化層穩(wěn)定運行的條件。在文中建立的樞軌接觸系統(tǒng)下,如果將實驗測量數(shù)據(jù)作為產生量,則當電樞的速度達到2050m/s時,液化層的沉積量大于產生量,樞軌界面的電接觸將不穩(wěn)定；如果將考慮湍流效應模型的計算結果作為產生量,則當電樞速度達到2000m/s時,樞軌界面的電接觸將不穩(wěn)定,轉捩可能發(fā)生。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TJ866
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 課題的研究背景及意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要研究內容
2 樞軌接觸界面液化層產生特性的實驗研究
    2.1 電樞表面電流熔蝕特性的實驗研究
    2.2 樞軌高速滑動摩擦特性的實驗研究
    2.3 樞軌界面熔化磨損機理的分析
    2.4 本章小結
3 樞軌接觸界面金屬液化層磁-彈流動壓模型
    3.1 樞軌界面金屬液化層流體動壓模型
    3.2 樞軌接觸系統(tǒng)磁擴散模型
    3.3 樞軌界面金屬液化層厚度分布計算模型
    3.4 樞軌界面金屬液化層能量轉化和傳遞模型
    3.5 磁-彈流動壓模型的多物理場耦合模型
    3.6 樞軌接觸界面金屬液化層的沉積模型
    3.7 本章小結
4 液化層磁-彈流動壓模型的動態(tài)特性研究
    4.1 金屬液化層磁-彈流動壓模型建立和計算條件
    4.2 電接觸系統(tǒng)磁擴散計算及分析
    4.3 金屬液化層的動態(tài)潤滑特性分析
    4.4 金屬液化層溫度分布計算及熱量分析
    4.5 本章小結
5 樞軌接觸界面金屬液化層的穩(wěn)定性分析
    5.1 樞軌接觸界面動態(tài)穩(wěn)定性分析
    5.2 樞軌接觸界面金屬液化層供求穩(wěn)定性分析
    5.3 本章小結
6 考慮湍流效應的磁-彈流動壓模型潤滑特性研究
    6.1 金屬液化層磁-彈流動壓模型參數(shù)的調整
    6.2 考慮湍流效應模型下金屬液化層的動態(tài)潤滑特性
    6.3 考慮湍流效應模型下金屬液化層的穩(wěn)定性分析
    6.4 本章小結
7 全文總結和展望
    7.1 全文工作總結
    7.2 本文的創(chuàng)新點
    7.3 研究工作展望
致謝
參考文獻
附錄1 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文目錄
附錄2 攻讀學位期間參與的主要科研項目

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本文編號：2851767