轨道炮刨削形成机理分析及数值模拟

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1、第33卷第5期爆炸与冲击Vo1．33，No．52013年9月EXPL0S10NANDSH0CKWAVESSept．，2013文章编号：1001—1455(2013)05—0537—07轨道炮刨削形成机理分析及数值模拟金龙文，雷彬，李治源，张倩(军械工程学院，河北石家庄050003)摘要：基于电磁轨道炮的发射特点，分析了轨道炮刨削形成机理，并利用有限元软件ABAQUS对刨削的形成过程进行了数值模拟。结果表明：非均匀温度分布导致的瞬态微凸体，确实可以引起刨削的发生；刨削的数值模拟结果与实验结果具有较

2、好的一致性；刨槽的损伤程度主要与电枢速度和枢轨间的有效损伤接触面积有关，而枢轨界面载荷对刨削的影响较小；高温材料更容易受到损伤，将缩短其使用寿命；选用硬度高的金属作为轨道材料，在一定程度上可以抑制刨削的发生，但是这将降低轨道的导电性能和轨道炮的发射效率。因此，根据自身实际的需求，确定材料硬度和导电性之间的平衡点，并通过轨道结构上的创新，克服现有金属加工技术的限制将是抑制轨道炮刨削的关键。关键词i爆炸力学；刨削；有限元；轨道炮；ABAQUS中图分类号：O389；TJ012．1国标学科代码i1303

3、599文献标志码：A电磁轨道炮是利用脉冲大电流产生的电磁力，将弹丸加速到超高速的一种新概念动能武器，具有威力大、可控性强和安全性高等优点。1978年，R．A．Marshall等口]I_“在5m长的轨道炮上成功地把质量为3g的弹丸加速到5．9km／s。这一实验的成功暗示了该项技术的极大应用潜力，引起了研究热潮，并推动了电磁轨道炮的发展。近年来，虽然轨道炮技术得到了较快发展，但是脉冲功率电源的小型化和轨道表面材料失效问题还未得到根本解决，制约着轨道炮技术的继续发展和应用。轨道的刨削和烧蚀是轨道材料失

4、效的主要表现，是影响轨道炮发射效率、发射精度和轨道使用寿命的重要原因。其中刨削是指电枢和轨道在高速滑动接触时，在轨道表面形成液滴状损伤的现象。典型刨槽顶点带有粗糙尖锐划痕，刨槽内表面凹凸不平，但表面划伤痕迹逐渐消失，呈现出熔融的表面状态，刨槽的弧形尾边都具有一层堆积卷边_2]。1969年，K．F．Graft等_3首次在火箭橇轨道上观测到了刨削现象。1973年，F．P．GerstleJr等通过实验观察和对轨道刨削的金相分析，认为刨削的产生是由于材料的绝热滑动引起局部温升形成了绝热剪切带，材料软化的

5、热熔速率超过了材料的应变率和硬化率。之后，R．D．M．Tachau等l_5和D．J．Laird_6利用CTH程序对火箭橇轨道刨削进行了大量的理论和模拟研究。CTH是R．D．M．Tachau等¨5针对火箭橇刨削问题编写的模拟程序，该程序在构建材料的状态方程和本构关系方面表现突出，但是在公开的文献中未发现完整的刨槽形成图，且CTH是二维模拟程序。目前大部分刨削形成机理的研究是针对火箭橇轨道刨削现象，虽然轨道炮和火箭橇上的刨削具有相似之处，但是在轨道结构和环境因素等方面存在区别。本文中，基于电磁轨道炮

6、的发射特点，提出轨道炮刨削形成机理，利用有限元程序ABAQUS进行数值模拟，并对结果进行讨论。l轨道炮刨削形成机理分析电磁轨道炮利用安培力推动电枢加速运动，以电能作为发射弹丸的直接能源，因此，在轨道炮的发射过程中必然有脉冲大电流流过轨道炮系统，同时伴随着材料的温升。而刨槽的微观分析显示刨削具有热熔和冲击2种重要特性[7]，因此，电磁轨道炮发射过程中瞬态温度突变是引起电枢和轨道材料性能*收稿日期：2012—05—14；修回日期：2012—09—04作者简介：金龙文(1987)，男，博士研究生。爆炸

7、与冲击第33卷变化和进一步导致材料失效的关键因素。轨道炮的温升主要来自电流生热和摩擦生热2方面，其中电流生热可以分为电枢和轨道本体的焦耳热温升和枢轨接触界面间接触电阻热温升2种表现形式。虽然这2种形式都是电流引起的温升，但是其计算方法有明显区别，因此，可以分别考虑。轨道炮中的枢轨接触属于典型的载流摩擦磨损机制，电流导致的温升使接触界面材料软化，引起摩擦因数的变化。由于轨道是摩擦副中的基体，当电枢滑动进入枢轨接触区域，与电枢发生接触的轨道材图1数值模拟中采用的脉冲电流波形料未通过电流、温度较低，因

8、此轨道具有一Fig．1Currentpulsewaveformusedinnumericalsimulation定的热分散作用；而电枢在轨道炮发射过程中一直有大电流流过，且始终与轨道发生摩擦作用，因此电枢几乎不存在热分散功能。为了研究瞬态温度变化对刨削的影响，利用Ansys有限元软件对u形电枢温度场进行了三维数值模拟。在实际电磁轨道炮发射实验中，采用脉冲成形网络作为电源，测量到的电流波形如图1所示。在本次数值模拟中，为了简化计算，用三段折线代替实际电流曲线作为计算模型中的驱动电流。电枢与轨道之间