一种基于COMSOL的复杂形状电枢电磁炮动态模型构建方法

一种基于comsol的复杂形状电枢电磁炮动态模型构建方法
技术领域
1.本发明属于电磁发射领域，涉及一种基于comsol的复杂形状电枢的动态电磁炮模型构建新方法。


背景技术：

2.与传统化学能发射技术相比，电磁轨道炮不仅能实现武器弹药高初速、高动能的发射要求，还具有射程远、精确性高、易控制、效率高等明显优势。但是在发射阶段，膛内复杂恶劣的电磁环境会给弹丸内的电子元件造成影响，使其性能受损甚至失效。
3.john mallik利用ansoft maxwell软件对轨道炮发射过程进行有限元仿真，研究了电枢静止情况下轨道炮上电流密度分布与洛伦兹力分布以及导轨中心对称面上磁通密度分布。采用comsol软件建立了二维和三维准静态有限元模型，分析了膛内磁场分布情况，仿真结果与实测值吻合较好。汤铃铃建立了电磁轨道炮发射过程的磁扩散方程，使用comsol软件分析了电磁炮上的电磁场分布，根据电流扩散深度建立了电磁轨道炮的面电流模型，分析了膛内磁场分布特性。殷强通过数值计算和仿真模拟的方法分析了电枢静止时膛内磁通密度分布情况，在此基础上结合试验数据分析了电枢运动时膛内磁通密度分布特性。综上，电磁轨道炮仿真研究的难点在于：模拟电枢的真实运动情况，考虑速度趋肤效应对电磁分布的影响。
4.构建动态的电磁轨道炮模型本身就非常困难，电枢形状不规则更是加大了其难度。目前大多数仿真研究多针对方块电枢进行建模，而且建立的都是静态的模型。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于突破仿真研究领域的局限，实现复杂形状电枢的动态电磁炮模型构建，并计算电磁炮及膛内电磁分布情况。
6.本发明提供了一种基于comsol的复杂形状电枢的动态电磁炮模型构建方法，利用comsol multiphysics仿真软件，仿真计算轨道炮膛内电磁分布情况，包括以下步骤：
7.步骤1：基于comsol进行轨道炮模型几何建模；
8.根据轨道炮的实际形状和尺寸，在comsol multiphysics软件中设置轨道和炮膛的几何参数。需要说明的是，电枢及其滑动区域是两个不同的部分，但是该步骤中以炮膛这一个区域来代替。在后面的材料参数设置步骤中会对电枢及其滑动区域进行区分。
9.步骤2：对电枢头部和尾部的形状进行公式化描述；
10.当炮尾截面在yz面内，且炮尾中心与yz面坐标圆点重合时，电枢沿x轴正方向运动。零时刻，电枢还未运动，位于炮尾位置，此时电枢尾部和头部的形状可以用函数u1、u2描述，函数的自变量是y和z或两者之一，或者为常数函数。
11.步骤3：基于comsol进行材料参数设置；
12.根据轨道、电枢及其滑动区域的材料类型，在comsol multiphysics软件中设置相应区域的电导率、相对磁导率、相对介电常数。
13.电枢一般采用金属良导体，其滑动区域一般为空气。两种材料的相对磁导率和相对介电常数一致，其材料属性值可以看成炮膛的材料属性值。两种材料的电导率差值很大，可以利用comsol multiphysics软件的逻辑语言和运算规则编辑得到如下炮膛电导率公式：
[0014][0015]
其中，s表示炮膛的电导率，s1为滑动区域电导率，s2为电枢电导率，x为x轴坐标，x0为电枢位移，w为电枢长度，u1为电枢尾部的形状公式，u2为电枢头部的形状公式。
[0016]
电枢位移是关于时间的函数，通过步骤4中设置的物理场“全局常微分方程”求解得到，无需计算，可以直接调用。该表达式使得任意时刻炮膛内电枢所在区域的电导率为电枢材料的电导率，其他区域为空气的电导率，且两个区域的分界面上电导率有较为光滑的过渡。
[0017]
步骤4：在comsol中进行物理场设置、网格剖分及求解计算；
[0018]
物理场设置包含“电流”、“磁场”和“全局常微分方程”设置。“电流”物理场中，在一根轨道的一侧端面设置“终端”边界条件，施加激励电流，在另一根轨道对应的端面设置“接地”边界条件以构成系统的通电回路。“磁场”物理场中，添加“外部电流密度”边界条件，其值来自“电流”物理场的电流密度。其余边界条件保持默认。通过“全局常微分方程”求解电枢位移。在comsol multiphysics软件中通过电流
‑
磁场耦合实现计算；
[0019]
对轨道和炮膛进行网格剖分；设置求解步长和求解时间，仿真计算发射过程中电磁炮及炮膛内电流密度和磁通密度分布情况。
[0020]
本发明与现有仿真技术相比，具备以下优点：
[0021]
1.模型可以描述形状复杂的电枢，适用范围更广，突破了电枢形状对仿真研究的局限。
[0022]
2.模型是对电磁轨道炮发射过程的动态模拟，突破了目前电磁炮仿真研究以静止电枢为主的局限。
附图说明
[0023]
图1为本发明的流程图。
[0024]
图2为电磁炮的结构示意图。
[0025]
图3为基于comsol建立的电磁炮几何模型。
[0026]
图4为电枢尾部形状函数u1的图像。
[0027]
图5为激励电流波形。
[0028]
图6为电磁炮及膛内的电流密度分布图(xy面内)。
[0029]
图7为电磁炮及膛内的磁通密度分布图(xy面内)。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步说明。
[0031]
结合图1，本发明提供了一种基于comsol的复杂形状电枢的动态电磁炮模型构建方法，具体包括以下步骤：
[0032]
步骤1：基于comsol进行轨道炮模型几何建模；
[0033]
图2是轨道炮的结构示意图，其中，轨道长度2000mm，宽度15mm，高度20mm；炮口尺寸20mm
×
20mm；电枢长度20mm，尾部为u型。在comsol multiphysics软件中建立了图3所示的模型，模型包括两根轨道和轨道中间的炮膛，炮膛代表的是电枢及其滑动区域。炮尾位于yz面内，中心与yz面的坐标原点重合，电枢沿x轴正向运动。另外，在轨道炮外侧建立了一个圆柱状空气域，半径为轨道高度的十倍。
[0034]
步骤2：对电枢头部和尾部的形状进行公式化描述；
[0035]
零时刻，电枢还未运动，处于炮尾位置。此时，电枢尾部的形状随着y坐标的变化而变化，可以用关于坐标y的函数u1来表示：
[0036]
u1＝
‑
80
×
y2+0.008
[0037]
上式中，自变量y和因变量u1的单位均为米。该函数的图像如图4所示。
[0038]
此时，电枢头部是一个平整的面，可以用常数函数u2来表示：
[0039]
u2＝0.02
[0040]
步骤3：基于comsol进行材料参数设置；
[0041]
轨道材料为铜合金，电导率为4.63
×
107s/m，相对磁导率和相对介电常数都为1，可在comsol multiphysics软件的轨道材料属性中直接输入对应值。
[0042]
电枢材料为铝合金，电导率为1.94
×
107s/m，相对磁导率和相对介电常数都为1。电枢滑动区域为空气，电导率设置为1s/m，相对磁导率和相对介电常数都为1。因为两种材料的相对磁导率和相对介电常数一致，所以其材料属性值可以看成炮膛的材料属性值。两种材料的电导率差值很大，可以利用comsol multiphysics软件的逻辑语言和运算规则对炮膛的电导率s进行如下定义：
[0043][0044]
上式中，s1是滑动区域电导率，即1s/m；s2是电枢电导率，即1.94
×
107s/m；x代表x轴坐标；x0代表电枢位移，是关于时间的函数，通过步骤4中设置的物理场“全局常微分方程”求解得到，无需计算，可以直接调用；w是电枢长度，即20mm，u1、u2分别是电枢尾部和头部的形状函数。该表达式使得任意时刻炮膛内电枢所在区域的电导率为1.94
×
107s/m，其他区域为1s/m，且两个区域的分界面上电导率有较为光滑的过渡。
[0045]
步骤4：在comsol中进行物理场设置、网格剖分及求解计算；
[0046]
物理场设置包含“电流”、“磁场”和“全局常微分方程”设置。“电流”物理场中，在一根轨道的一侧端面设置“终端”边界条件，施加图5所示的激励电流，在另一根轨道对应的端面设置“接地”边界条件以构成系统的通电回路。“磁场”物理场中，添加“外部电流密度”边界条件，其值来自“电流”物理场的电流密度。其余边界条件保持默认。通过“全局常微分方程”求解电枢位移，该数值可以用于步骤3中的炮膛的电导率s的计算中。
[0047]
对轨道和炮膛进行网格剖分，对炮膛部分要采取更细致的网格。完整网格包含19500个域单元、13930个边界元和2492个边单元。
[0048]
设置求解步长0.5ms和求解时间5ms，选择全耦合的计算模式，在直接求解器中设置parsido作为求解器，即可开始计算。
[0049]
图6是经过以上步骤计算得到的t＝1.5ms时模型的电流密度模分布图(xy面内)。
可以清晰地看到电枢及滑过的轨道区域形成了一条电流回路，电枢未滑过的轨道区域没有电流。观察电枢及附近轨道区域上的电流密度分布情况，可以清晰地看到电枢的形状，即尾部为u型，头部为平整的面。在电枢上，电流集中分布在其尾部；在电枢附近的轨道区域内，由于速度趋肤效应和电流的扩散速度差别，电流沿y轴分布不均匀，造成弧型分布，靠近轨道内测电流密度更大。
[0050]
图7是经过以上步骤计算得到的t＝1.5ms时模型的磁通密度模分布图(xy面内)。可以看到，磁通密度分布大小：枢轨接触面＞电枢滑过的炮膛＞轨道内侧＞轨道外侧。
[0051]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。