黃瑩倍,張 軍,顧偉偉
(南京理工大學 能源與動力工程學院, 南京 210094)
作為電磁發(fā)射裝置主要類型,線圈炮具備大載荷、高效率和長壽命等優(yōu)點,無疑是未來發(fā)射武器的必然選擇之一。發(fā)射線圈是線圈炮中能量轉(zhuǎn)換的核心部件,需要在多頻次的高電壓、大電流環(huán)境下將電能轉(zhuǎn)化為機械能以滿足電磁發(fā)射的要求。在連續(xù)脈沖載荷作用下,導體截面的電磁分布情況不僅影響發(fā)射線圈的工作效率,也決定著裝置的安全性和可靠性。
文獻[4-7]針對以不同材料制作或不同方式繞制而成的線圈的發(fā)射效率和機械特性展開研究。文獻[8-9]以有限元方法研究了同步感應線圈炮內(nèi)磁場和渦流分布情況。文獻[10]通過仿真手段對驅(qū)動線圈展開幾何相似分析,研究物理參數(shù)與尺寸比例系數(shù)之間的聯(lián)系。熱量在發(fā)射線圈中積累使發(fā)射效率降低,并會產(chǎn)生相應的熱應力造成線圈匝間絕緣材料加速老化,甚至與電動力協(xié)同作用致使發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)破壞。文獻[12]通過仿真與實驗結(jié)合的手段研究了單級感應線圈電樞的溫升特性。文獻[13-14]指出溫度升高改變了材料的電導率,造成電樞中的電流分布發(fā)生變化,另外,改變磁場方向可提高發(fā)射線圈的能源轉(zhuǎn)換效率。
目前進行相關研究的手段主要包括試驗測試和數(shù)值分析。本文中建立了單級感應線圈炮發(fā)射模型,基于矢量磁位法采用Serendipity四邊形單元對線圈炮發(fā)射線圈開展多物理場分析,研究其執(zhí)行多次發(fā)射任務時電磁特性和溫升情況。
實際線圈發(fā)射設備中,彈丸線圈為圓筒狀,發(fā)射線圈由多層銅帶同軸繞制而成,并以特定的材料灌裝,起到絕緣和加固的作用。在進行數(shù)值分析時,可將發(fā)射線圈等效為由多個獨立同軸帶狀發(fā)射線圈組成的模型。
本文中物理模型如圖1所示,發(fā)射線圈由5個截面尺寸為2 mm×30 mm的帶狀發(fā)射線圈組成,間隔1 mm,使用環(huán)氧樹脂進行灌裝。筒狀鋁制彈丸線圈中心軸與各帶狀發(fā)射線圈中心軸重合。
圖1 發(fā)射線圈與彈丸線圈物理模型示意圖
根據(jù)圖1發(fā)射線圈物理模型特點,關于=0平面等分模型并取上半部分進行軸對稱分析。設置寬高為120 mm的空氣域。
圖2為本次研究所用激勵電流波形,脈寬6 ms,峰值為30 kA。應特別說明的是,因數(shù)值分析截取了實際模型的二分之一,所以施加于發(fā)射線圈截面的電流實為圖 2激勵電流的兩倍大小,即脈寬6 ms,峰值60 kA。
圖2 激勵電流波形曲線
1) 材料均勻性良好,電導率、磁導率各向同性
2) 材料磁導率視作對磁場強度和溫度的常數(shù)
3) 考慮到電磁發(fā)射發(fā)射線圈磁場工況處于低頻范疇,且位移電流對焦耳熱不產(chǎn)生貢獻,因而忽略位移電流
數(shù)值計算所用材料參數(shù)見表1。為更加準確地計算線圈的溫度分布,考慮銅帶和鋁制電樞的電阻率隨溫度的變化,導體的電阻率可表示為:
=·[1+·(-)]
(1)
·=1
(2)
其中:為20 ℃時導體的電阻率,為電阻溫度系數(shù)。
表1 材料參數(shù)
線圈發(fā)射電磁場問題可由Maxwell方程微分形式和相應的本構(gòu)方程進行統(tǒng)一描述:
(3)
▽·=0
(4)
=
(5)
=
(6)
其中:為磁場強度,為磁通密度,為電場強度,為電流密度,為材料磁導率,為材料電導率。
引入矢量磁位和標量電勢,分別滿足▽·(▽×)= 0和▽×(▽·)= 0,結(jié)合式(3)—式(6)不難得到基于矢量磁位法的控制方程組,如下:
(7)
其中: Ω代表求解區(qū)域,發(fā)射線圈、彈丸線圈分別處于渦流區(qū)Ω、Ω;環(huán)氧樹脂與空氣組成非渦流區(qū)Ω。代表各處邊界,見圖3。
圖3 電磁分析網(wǎng)格與邊界條件示意圖
發(fā)射線圈銅帶部分網(wǎng)格較細,以便適應快速變化的電流。為與控制方程對應,對材料單元的自由度進行指定,環(huán)氧樹脂和空氣域單元以矢量磁位為唯一自由度;鋁制電樞和銅帶單元以矢量磁位和標量電位為自由度。
與電磁場分析不同,熱分析僅以由銅帶和環(huán)氧樹脂組成的發(fā)射線圈上半部分作為分析對象,不包含彈丸線圈和空氣域。將電磁計算所得的單元產(chǎn)熱傳作非均勻分布的時變熱源進行處理。研究發(fā)射線圈執(zhí)行10次重復發(fā)射任務過程的溫度變化情況。
溫度場有限元計算先決條件為:
1) 材料均勻性良好,熱導率各向同性;
播后白天25~30℃,夜間 15~20℃,當50%出苗時將地膜撤掉,白天揭拱棚降溫,白天 20~25℃,夜間15~17℃,子葉展開后,及時間苗。
2) 材料密度、比熱容視作對溫度的常數(shù);
3) 忽略驅(qū)動線與彈丸線圈、發(fā)射線圈與外部空間的輻射換熱;
4) 環(huán)氧樹脂與發(fā)射線圈接觸良好,忽略接觸熱阻。
發(fā)射線圈熱分析求解分為2個區(qū)域:各層銅帶組成有源區(qū)Ω,環(huán)氧樹脂區(qū)域為無源區(qū)Ω。本次熱分析可由焦耳定律結(jié)合傳熱學方程微分形式進行統(tǒng)一描述:
(8)
采用二次八節(jié)點Serendity單元進行熱分析。銅帶末端環(huán)氧樹脂網(wǎng)格最細,以便適應較高的溫度梯度。
激勵電流載荷加載時間間隔為5 s,持續(xù)加載時間為 50 s。發(fā)射線圈初始溫度和環(huán)境溫度皆為20 ℃,邊界體條件施加如圖4所示。
圖4 熱分析網(wǎng)格與邊界示意圖
在多次重復發(fā)射過程中,線圈的電磁分布特點無顯著差異,因此電磁分析討論圍繞發(fā)射線圈執(zhí)行第一次發(fā)射任務所得結(jié)果進行展開。在激勵電流上升沿和下降沿各提取2個不同時刻的磁通分布結(jié)果。如圖5(a)、圖5(b)所示,在電流上升沿,磁通主要集中于發(fā)射線圈與彈丸線圈相夾區(qū)域,磁通最大值為6.82 T;然而,在電流下降沿,如圖5(c)、圖5(d),磁通逐漸往彈丸線圈內(nèi)層集中。
圖5 不同時刻磁通分布云圖
1) 根據(jù)安培環(huán)路定律,一定半徑的環(huán)形導體時通電時,環(huán)形導體內(nèi)層區(qū)域的電場強度較大,因而磁通較大,產(chǎn)生“磁通壓縮”的效果。
圖6表示了不同時刻發(fā)射線圈銅帶的電流密度分布。如圖6銅帶截面電流分布(a)所示,0.2 ms時刻,電流集中于銅帶末端角點。第1層銅帶左上角鄰近區(qū)域電流較大,最大值為2.35 kA/mm,而大部分區(qū)域電流平均值僅為0.2 kA/mm,兩者相差達11倍。0.48 ms時刻,見圖6(b),銅帶末端2 mm區(qū)域電流較大,最大值為2.37 kA/mm;銅帶中段電流較小,平均值約為0.8 kA/mm。在電流下降沿,如圖 6(c),1.5 ms時刻,銅帶末端附近區(qū)域電流較小,電流主要分布于軸向0~13 mm區(qū)間,呈中間大、末端小的特點,此時整體電流分布較電流上升沿的電路分布相對均勻,且整體較小,最大值為 0.5 kA/mm。
圖6 銅帶截面電流密度分布云圖
特別地,從各個時刻電流分布云圖可以觀察到,銅帶中段電流在徑向上也出現(xiàn)非均勻分布現(xiàn)象,在電流上升沿呈左側(cè)大、右側(cè)小的特點,而在電流下降沿呈右側(cè)大、左側(cè)小的特點。
為進一步分析進行發(fā)射線圈發(fā)射工作時的電流分布特點,分別在第1、3和5層銅帶軸向上設置上、中、下3個等分采樣點并提取時間歷程電流數(shù)據(jù)。
圖7為第1層銅帶3個采樣點的電流變化曲線,可以看到,第1層銅帶各采樣點電流在0~0.75 ms內(nèi)電流劇烈變化,相比激勵電流更為迅速。0~0.48 ms電流迅速上升并于0.48 ms時刻,3處采樣點同時到達峰值,下采樣點電流密度差相差約為1.5 kA/mm,即,此時電流末端大、中間小的特點最為顯著;0.75~2 ms時刻,中、下2個采樣點電流密度大于上采樣點的電流密度。此時間段的電流分布進入軸向上中間大、末端小的階段。
圖8、圖9和圖10分別為3層銅帶上、中、下采樣點的電流變化曲線。從圖8可以看到,上采樣點電流在0~1 ms內(nèi)劇烈變化,于0.48 ms時刻到達峰值,第1層銅帶上采樣點和第5層銅帶上采樣點的電流密度差最大,約為0.5 kA/mm;如圖9所示,第1層銅帶中采樣點電流密度最大,第3、第5層銅帶中采樣點最大電流密度大致相等;特別地,觀察圖9、圖10發(fā)現(xiàn),第5層銅帶中、下電流變化相對緩慢,電流到達峰值的時間延后于第1、第5層銅帶。
圖7 第1層銅帶各采樣點電流密度變化曲線
圖8 3層銅帶上采樣點電流變化曲線
圖9 3層銅帶中采樣點電流變化曲線
圖10 3層銅帶下采樣點電流變化曲線
圖11(a)表示了第1次發(fā)射任務結(jié)束時刻發(fā)射線圈溫度分布情況??梢钥吹剑~帶末端鄰近2 mm區(qū)域溫度較高,區(qū)域最高溫度為28.8 ℃;而銅帶軸向中段的溫度相對較低,平均溫度約為22 ℃;但環(huán)氧樹脂未見明顯的溫度變化。如圖 11(b)所示,第一次發(fā)生任務結(jié)束4 s后,銅帶溫度分布達到較為均勻的狀態(tài),且第1層銅帶溫度高于其他4層,平均溫度約為23 ℃;銅帶間的環(huán)氧樹脂溫度明顯升高,但分布不均;而發(fā)射線圈軸向末端的環(huán)氧樹脂未見顯著的溫度變化。25 s時刻,見圖 11(c),銅帶間的環(huán)氧樹脂溫度分布達到均勻狀態(tài),發(fā)射線圈軸向末端環(huán)氧樹脂發(fā)生顯著的溫度變化,但軸向溫度梯度較大,且溫度相比各層銅帶間環(huán)氧樹脂的溫度較低。
圖11(d)為50 s時刻發(fā)射線圈溫度分布情況,對比圖 11(b)發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)射線圈發(fā)射任務次數(shù)的增加,發(fā)射線圈溫度較高區(qū)域由第1、2層銅帶附近“移動”到第2、3層銅帶附近。由于銅帶和環(huán)氧樹脂曲率沿著隨著半徑增大而減小,熱量沿徑向進行傳遞的熱阻也就越小。發(fā)射線圈右側(cè)與環(huán)境空氣的換熱效果更好,所以發(fā)射線圈外側(cè)溫度較低。軸向上,熱量在發(fā)射線圈軸 向末端環(huán)氧樹脂擴散較為緩慢。可考察銅和環(huán)氧樹脂的熱擴散速率:=·(),≈1876,表明環(huán)氧樹脂導熱能力遠低于銅導體,相比于銅帶,環(huán)氧樹脂中的熱量無法及時擴散,造成發(fā)射線圈軸向末端的環(huán)氧樹脂溫度分布較為不均。
圖11 發(fā)射線圈溫度分布云圖
為進一步對發(fā)射線圈重復發(fā)射過程的溫度響應特性進行分析,在發(fā)射線圈末端的環(huán)氧樹脂中部設置上下2個等分采樣點,并提取采樣點的時間歷程溫度。
從圖12(a)可以看到,銅帶溫度達到最高溫度既非發(fā)生在發(fā)射線圈電流峰值時刻,也非發(fā)生在發(fā)射任務結(jié)束時刻,而是發(fā)生在1.1 ms時刻。此時,第1層銅帶上采樣點溫度最高,溫升為9.8 ℃;下采樣點溫升較小,約為2 ℃。此時最大溫差為7.8℃。根據(jù)圖 11(b),銅帶溫度分布發(fā)射任務結(jié)束1.5后趨于均勻。而環(huán)氧樹脂上下采樣點溫度在第一次任務結(jié)束時刻未見明顯變化。在進行時間間隔為5 s的10次發(fā)射任務后,如圖 11(c)銅帶最高溫度為52.5 ℃,溫升達32.5 ℃;環(huán)氧樹脂最高溫度達到37.5 ℃,溫升為17.5 ℃;環(huán)氧樹脂采樣點溫度以拋物線趨勢上升并逐步接近銅帶溫度。
圖12 發(fā)射線圈各采樣點溫度變化曲線
1) 隨著發(fā)射線圈激勵電流從上升沿進入下降沿,感生電流換向,最大磁通由彈丸線圈與發(fā)射線圈相夾區(qū)域轉(zhuǎn)移到彈丸線圈內(nèi)層區(qū)域。
2) 發(fā)射線圈執(zhí)行發(fā)射任務時,銅帶電流呈現(xiàn)較為明顯的非均勻分布。在進行絕緣相關設計時,可對銅帶末端內(nèi)側(cè)角點電流密度大的特點適當考慮。
3) 發(fā)射線圈溫度整體上非均勻分布。尤其發(fā)射線圈軸向末端溫度梯度高、散熱效果差。在對帶狀發(fā)射線圈進行相關設計時,不應將其視作溫度均勻分布的發(fā)熱體。