摘要
电磁轨道炮具有发射速度快、可操控性能好等优点，在军事、民用等领域有巨大的应用潜力。电磁轨道炮在发射时，导轨和电枢会产生烧蚀、变形等现象，关系到轨道炮的效率、寿命和精度等性能，因此为了研究轨道炮在不同物理场下的变化规律，需要建立相关的理论来指导工程实践。 本文以增强型电磁轨道炮为研究对象，对轨道炮导轨进行了电磁-温度-结构三维耦合仿真分析。分析过程中考虑了接触电阻热和摩擦热的瞬态特性，通过电枢位移与时间的关系，对导轨进行分段建模，计算了导轨在不同热载荷下的瞬态温升分布以及瞬态力学分布，并对增强型电磁轨道炮导轨结构进行优化设计。 首先，建立了增强型电磁轨道炮的有限元仿真模型，根据电枢所受洛伦兹力、电磁压力、摩擦系数以及电枢质量等参数计算得到轨道炮电枢运动结果，通过Maxwell软件对增强型电磁轨道炮进行瞬态电磁场仿真计算，分析了在脉冲电流峰值时刻轨道炮的电流密度分布与磁感应强度分布，为多物理场耦合仿真提供初始条件。 然后，对增强型电磁轨道炮枢轨接触面间接触电阻产生的热量与摩擦过程产生的热量进行计算，通过ANSYSWorkbench软件对增强型电磁轨道炮导轨进行电磁-温度耦合仿真，计算分析了在电枢出膛时刻增强型电磁轨道炮导轨的瞬时温升分布，并对在空气中自然冷却后的导轨温度分布情况进行了研究，提高了导轨瞬态温升分布预测的准确性。 其次，将电磁场和温度场的计算结果与结构场耦合，并将封装结构用弹性约束代替对增强型电磁轨道炮导轨进行仿真计算，分析了在电磁力和不同热源作用下导轨的瞬态扩张量分布，对导轨的热应力以及在热应力作用下的形变量进行计算，并对导轨的瞬态动力学响应进行了分析，提高了导轨瞬态扩张量分布预测的准确性。 最后，对增强型电磁轨道炮不同截面形状的导轨进行电磁-温度-结构耦合分析，根据电枢发射过程中导轨的电流密度分布情况、导轨的瞬时最高温度以及瞬态最大扩张量来对比分析各种结构导轨的性能。研究发现凸轨可以有效改善导轨局部高温、变形等问题，故在此基础上，基于正交试验设计方法，选取轨道炮导轨结构关键参数进行优化设计，优化后导轨的电流集中情况、瞬时温度最大值以及变形情况得到了有效改善。
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