非理想接触枢/轨界面的电磁与热特性研究

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电磁发射技术正处于从实验室走向实际应用的阶段,成功的关键之一在于有效解决高速滑动电接触界面损伤问题。由于大电流和高速运动,加之接触压力和电流不均匀分布,电磁发射枢/轨界面局部热量集中温升严重,一定条件下会导致电枢熔蚀和轨道槽蚀等界面损伤。为了控制界面损伤提高电磁发射性能,亟待充分揭示界面的电磁与热特性。但是,在界面的强磁强流和强热环境下几乎不可能对界面物理过程进行直接观测,所以目前数值仿真是研究界面特性的主要手段。  本文首先分析了枢/轨界面三维磁扩散模型和热传递模型。为了尽可能揭示实际过程,电磁模型中耦合了接触电阻模型,主要考虑界面接触压力分布对接触电阻的影响;热模型中分析了传热方程、热源分布和热量分配,特别引入了Stefan条件在模型中实现了界面熔蚀形貌仿真。在有限元仿真软件COMSOL中分别建立了非理想接触下的磁扩散仿真模型和热传递仿真模型。电磁扩散仿真模型由电磁模块和机械模块耦合构成。利用该模型中计算枢/轨界面的接触压力分布和电流密度分布,分析界面电流集中现象及其原因。热传递仿真模型耦合了电磁模型中的焦耳热,通过接触压力和电枢运动方程计算界面摩擦热。确定热源后计算了界面电枢侧、轨道侧的温度分布和界面熔蚀形貌,讨论了电枢熔蚀和轨道槽蚀机理。通过算例结果总结了电流上升时间、电枢口径和材料属性等因素对界面电磁和热特性的影响规律。最后设计并开展了界面电磁和热特性的研究实验,控制相关条件进行电磁发射,回收实验电枢,通过电枢表面形貌分析枢/轨界面物理过程。在实验室小口径电磁发射平台上分别进行了电流幅值和发射质量对界面熔蚀影响实验,验证了文中模型分析的部分结论,检验了模型合理性。
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