一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法技术

本发明专利技术公开一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法，该方法通过True Grid软件创建了接近实际轨道炮的几何模型，该模型能够精准地描绘高度复杂的凸轨道形状，突破了对于仿真研究在轨道形状方面的限制。此外，考虑电磁

【技术实现步骤摘要】
一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法


[0001]本专利技术属于电磁发射仿真建模
，特别涉及一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法。

技术介绍

[0002]电磁发射技术是一种新型的发射技术，它利用电磁力将电磁能转化为电枢和弹丸等有效载荷的动能，能够在较短的射程内将质量从克到几十吨不等的载荷加速到高速，突破了传统发射方式的速度与能量极限。电磁发射技术可以分为电磁轨道式和电磁线圈式两种，其中电磁轨道式又称为电磁轨道炮，是当今新型武器发射技术的研究热点之一。由于电磁轨道炮具有炮口初速度大、射程远、杀伤力强、反应速度快、成本低等优点，且能在信息化作战条件下完成不同作战任务，成为新概念武器研究的重要方向之一。
[0003]在电磁轨道炮动态发射过程中，发射装置内工作环境十分复杂，电磁场、温度场和结构场之间的相互耦合，需要深入分析发射过程中各个物理场之间的相互影响，优化设计参数，预测和评估性能与安全性，同时也能验证新技术的可行性。这种研究有助于提升电磁轨道炮的效率、可靠性和发展水平。因此，进行发射状态下的动态多物理场耦合模型研究是非常必要的。
[0004]目前，已有一些关于电磁轨道炮的仿真方法的文献报道，Kim等用有限元软件EMAP3D建立了轨道与电枢非理想电接触的三维有限元模型，对轨枢接触界面的电热效应进行了数值模拟。程洁冰用Matlab软件对高速载流摩擦过程中摩擦热、接触电阻热、电弧热引起的轨枢接触界面的瞬态温升进行了仿真。田振国等通过COMSOL Multiphysics软件构建多物理场耦合模型，以计算导轨上的应力分布情况。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。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。但这些方法都存在一些不足之处，如：仿真软件的选择受限，不能充分利用现有的高性能计算平台；仿真几何模型过于简化；大多数仿真建立的都是静态的模型。
[0005]经过对现有技术的专利检索发现，中国专利技术专利CN112699582A公开了一种基于COMSOL的动态电磁炮模型构建方法，该方法适用于形状复杂的电枢，可以计算电磁炮及膛内电磁分布情况。但是该专利并没有没有对结构场进行耦合。
[0006]综上，构建电磁轨道炮仿真模型的难点在于创建接近实际轨道炮的几何模型，并考虑电磁
‑
温度和结构等物理场之间的耦合，以准确地动态模拟电磁发射过程，从而更好地理解它们之间的相互作用。

技术实现思路

[0007]针对当前仿真建模技术存在的不足，本专利技术提供一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法。该方法使用了True Grid和LSDYNA软件两款软件进行联合仿真，创建了接近实际轨道炮的几何模型，确保仿真的准确性和可靠性，并考虑电磁
‑
温度和结构等物理场的耦合效应构建了导轨和电枢的电磁场模型。在该方法中，True Grid软件用于创建几何模型，而LSDYNA软件则用于进行动态仿真，利用该方法可以分析电磁轨道炮发射过程中导轨和电枢的电流密度、温度和应力分布情况。
[0008]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：基于True Grid软件进行几何建模
[0010]根据实际的增强型电磁轨道炮电枢和轨道的结构与尺寸，使用True Grid软件建立电枢和轨道的三维几何初始模型，并将初始模型进行网格划分，得到True Grid模型；
[0011]步骤2：对发射状态下的轨道和电枢进行公式化描述
[0012]在拉格朗日坐标系中，通过磁扩散方程对电磁场进行建模；使用磁矢势A和标量电势φ作为未知量，可以得到一组由准静态的麦克斯韦方程推导而来的磁扩散方程：
[0013][0014]式中，为哈密顿算符，A是磁矢势，φ是标量电势，μ是导体的磁导率，σ是电导率，t是时间，下同；
[0015]在能量平衡的假设下推导了运动坐标系下的热扩散方程系统：
[0016][0017]式中T、C
P
和k分别为温度、比热容和热导率；Q是欧姆热，可以表示为：
[0018][0019]电枢所受电磁力为：
[0020]F
em
＝∫∫∫
Ω
J
×
BdV
ꢀꢀꢀ
(4)
[0021]式(3)与式(4)中，J是电流密度，σ是电导率，B是磁通密度，Ω是电枢所占据的具体空间区域，V是积分的变量；式(4)表示对电流密度J和磁感应强度B在电枢体积上进行积分；
[0022]根据动量守恒推导结构场控制方程的表达为：
[0023]ma＝F
em
‑
F
f
ꢀꢀꢀ
(5)
[0024]式(5)中，m是电枢质量，a是电枢加速度，F
f
为枢轨间的摩擦力，可以表示为：
[0025]F
f
＝μ1(F
m
+F
em sinθ)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0026]式(6)中，μ1是滑动摩擦系数；F
m
是预紧力，为固定值；θ为电流进入电枢时的方向与电枢运动方向的夹角；
[0027]步骤3：将步骤1中建立的True Grid模型与步骤2中得到的发射状态下的轨道和电枢的公式化描述导入LS
‑
PrePost软件中，设置关键字，对True Grid模型进行前处理，得到
.k文件，前处理具体过程为：
[0028](1)设置材料属性；根据实际材料参数，分别为轨道和电枢设置材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比；
[0029](2)激活EM求解器和EM接触算法，设置EM时间步长，定义回路和材料电导率，定义有限元边界元求解器类型及相应参数；
[0030](3)设置边界条件；将轨道固定，不允许任何自由度的运动，将电枢的两端与轨道的接触面设置约束：允许沿轨道方向的运动，但不允许垂直于轨道方向的运动；
[0031](4)设置电流加载曲线；根据实际电流波形，给电枢施加一个随时间变化的电流曲线；
[0032](5)限制最大时间步长，设定计算结束条件；
[0033](6)定义二进制状态文件D3PLOT的输出；
[0034](7)将经LS
‑
PrePost处理后得到的模型文件保存为.k文件；
[0035]步骤4：在LS
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LSDYNA的增强型电磁轨道炮动态仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：基于True Grid软件进行几何建模根据实际的增强型电磁轨道炮电枢和轨道的结构与尺寸，使用True Grid软件建立电枢和轨道的三维几何初始模型，并将初始模型进行网格划分，得到True Grid模型；步骤2：对发射状态下的轨道和电枢进行公式化描述在拉格朗日坐标系中，通过磁扩散方程对电磁场进行建模；使用磁矢势A和标量电势φ作为未知量，可以得到一组由准静态的麦克斯韦方程推导而来的磁扩散方程：式中，为哈密顿算符，A是磁矢势，φ是标量电势，μ是导体的磁导率，σ是电导率，t是时间，下同；在能量平衡的假设下推导了运动坐标系下的热扩散方程系统：式中T、C
P
和k分别为温度、比热容和热导率；Q是欧姆热，可以表示为：电枢所受电磁力为：F
em
＝∫∫∫
Ω
J
×
B dV
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式(3)与式(4)中，J是电流密度，σ是电导率，B是磁通密度，Ω是电枢所占据的具体空间区域，V是积分的变量；式(4)表示对电流密度J和磁感应强度B在电枢体积上进行积分；根据动量守恒推导结构场控制方程的表达为：ma＝F
em
‑
F
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中，m是电枢质量，a是电枢加速度,F
f
为枢轨间的摩擦力，可以表示为：F
f
＝μ1(F
m
+F
em
sinθ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式(6)中，μ1是滑动摩擦系数；F
m
是预紧力，为固定值；θ为电流进入电枢时的方向与电枢运动方向的夹角；步骤3：将步骤1中建立的True Grid模型与步骤2中得到的发射状态下的轨道和电枢的公式化描述导入LS
‑
PrePost软件中，设置关键字，对True Grid模型进行前处理，得到.k文件，前处理具体过程为：(1)设置材料属性；根据实际材料参数，分别为轨道和电枢设置材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比；(2)激活EM求解器和EM接触算法，设置EM时间步长，定义回路和材料电导率，定义有限元边界元求解器类型及相应参数；(3)设置边界条件；将轨道固定，不允许任何自由度的运动，将电枢的两端与轨道的接触面设置约束：允许沿轨道方向的运动，但不允许垂直于轨道方向的运动；
(4)设置电流加载曲线；根据实际电流波形，给电枢施加一个随时间变化的电流曲线；(5)限制最大时间步长，设定计算结束条件；(6)定义二进制状态文件D3PLOT的输出；(7)将经LS
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫荣格，赵浩凯，王学谦，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：