电磁轨道炮建模与性能分析

论文摘要

目前,各种新概念武器层出不穷,电磁轨道炮就是其中之一。随着科学技术的进一步发展,在未来领域,电磁轨道炮将广泛的应用于军事、船舶等领域,尤其在军事方面,电磁轨道炮应用于实战的可能性越来越大。在电磁轨道炮系统中,轨道炮的电感梯度,电枢运动速度,轨道及电枢的电流分布、磁场分布均与轨道尺寸等参数相关,所以在电磁轨道炮系统中需要对轨道尺寸进行分析。本文从电磁轨道炮轨道及电枢模型入手,着重分析轨道及电枢尺寸对电磁轨道炮系统的电感梯度的影响,以及电枢运动速度的影响。从经典麦克斯韦电磁理论入手,在忽略了速度趋肤效应的情况下从线电流和体电流思路建立了简单电磁轨道炮轨道及电枢物理模型和运动模型。在运动模型上,采用矩形轨道及矩形固体电枢。由于采用固体电枢,所以在电枢受力方面,采用与速度相关联的阻力系数代替固体电枢所受阻力,并在轨道炮其余参数确定的情况下,对电磁轨道炮电枢运动特性进行仿真,研究了不同质量、不同电流幅值下电枢的运动特性。使用Ansoft电磁有限元仿真软件中的静态求解模块研究了不同尺寸、不同材料、不同构型的轨道及电枢的磁场分布、电流分布。为了在有限的仿真次数内能清楚的表达出轨道及电枢尺寸对磁场及电流分布的影响,在电流脉冲确定的情况下,使用正交实验法,通过建立正交表,得出合理的轨道及电枢尺寸组合。通过算得的实验数据进行正交实验,并分析矩形轨道尺寸对电流分布、磁场分布的显著性影响。建立了电磁轨道炮轨道电感梯度模型,并在电流脉冲确定的情况下,研究矩形轨道及电枢尺寸与电感梯度的关系。使用正交实验法,根据轨道尺寸,对电磁轨道炮电感梯度进行显著性分析;使用模拟退火法对电感梯度模型进行了优化,在给定尺寸范围内确定最大电感梯度。根据建立的电磁轨道炮电枢运动模型,在电流脉冲确定的情况下使用模拟退火法对电磁轨道炮电枢运动速度进行优化;在给定轨道及电枢尺寸范围的情况下,使用遗传算法多目标优化电磁轨道炮电枢运动速度,位移,以及电感梯度,优化得出合理的轨道尺寸。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 电磁轨道炮研究
• 1.2.2 CPA研究
• 1.2.3 电磁轨道炮建模与分析
• 1.3 主要研究内容与论文结构
• 第二章 电磁轨道炮轨道与电枢建模
• 2.1 电磁轨道炮简介
• 2.1.1 简单电磁轨道炮
• 2.1.2 串联增强型电磁轨道炮
• 2.1.3 电磁轨道炮的重要元件
• 2.1.4 电磁轨道炮工作过程
• 2.2 电磁轨道炮电路方程
• 2.3 电磁场经典方程理论
• 2.3.1 麦克斯韦方程组
• 2.3.2 在磁场中的电流元受力分析
• 2.4 线电流模型下电磁轨道炮电枢受力分析
• 2.5 体电流模型下电磁轨道炮电枢受力分析
• 2.6 电枢的运动情况分析
• 2.6.1 方程推导
• 2.6.2 仿真分析
• 2.7 小结
• 第三章 电磁轨道炮特性仿真分析
• 3.1 Ansoft Maxwell简介
• 3.1.1 常用Ansoft Maxwell求解模块介绍
• 3.1.2 Ansoft Maxwell建模求解一般过程
• 3.2 电磁轨道炮磁场分布仿真分析
• 3.2.1 不同材料的轨道及电枢磁场分布仿真
• 3.2.2 轨道及电枢尺寸对轨道及电枢磁场分布影响的显著性分析
• 3.2.3 电磁轨道炮不同轨道形状所产生的磁场分布
• 3.3 电磁轨道炮电流分布分析
• 3.3.1 矩形轨道与电枢的电流分布原理
• 3.3.2 不同材料电磁轨道炮轨道及电枢电流分布仿真
• 3.3.3 轨道及电枢尺寸对轨道及电枢电流分布影响的显著性分析
• 3.3.4 电磁轨道炮不同轨道形状所产生的电流分布
• 3.4 小结
• 第四章 电磁轨道炮电枢运动性能优化
• 4.1 优化算法介绍
• 4.1.1 自适应模拟退火算法（ASA）
• 4.1.2 遗传算法（GA）
• 4.2 基于轨道电枢尺寸的电感梯度分析及优化
• 4.2.1 电磁轨道炮矩形轨道及电枢电感梯度模型
• 4.2.2 矩形轨道及电枢电感梯度影响因素分析
• 4.2.3 基于自适应模拟退火算法（ASA）的电感梯度优化
• 4.3 基于轨道及电枢尺寸的电枢运动性能优化
• 4.3.1 电磁轨道炮出.速度及加速度分析
• 4.3.2 轨道及电枢尺寸对电枢运动影响仿真分析
• 4.3.3 轨道及电枢尺寸对电枢运动影响的显著性分析
• 4.3.4 基于自适应模拟退火法的电枢速度优化
• 4.3.5 基于遗传算法的电枢多目标优化
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果