李　亮，崔鵬飛

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安　710065)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

炮口感應(yīng)裝定線圈的安裝角度

李亮，崔鵬飛

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安710065)

炮口感應(yīng)裝定可以逐發(fā)修正炮口初速，炮口制退器形狀不合或不允許使用炮口制退器時(shí)只好將裝定線圈裝在炮口側(cè)面，作非共軸感應(yīng)裝定。非共軸感應(yīng)裝定對(duì)炮口線圈安裝角度要求非常高，并且沒有設(shè)計(jì)規(guī)范。為此，通過有限元分析軟件ANSYS仿真優(yōu)選出非共軸感應(yīng)裝定線圈的安裝角度應(yīng)為60°。仿真與測(cè)試表明，在炮口裝定線圈與身管夾角為60°時(shí)，磁場(chǎng)分布最為合適，空間裝定窗口區(qū)間最大。

引信；電磁感應(yīng)裝定；三維；仿真

炮口感應(yīng)裝定可以逐發(fā)修正炮口初速，目前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)共同點(diǎn)是裝定線圈與接收線圈是共軸的，當(dāng)炮口制退器形狀不合適或者不允許使用炮口制退器時(shí)，則無法使用。針對(duì)此問題，將裝定線圈裝在炮口側(cè)面，即非共軸感應(yīng)裝定。非共軸感應(yīng)裝定的裝定線圈在炮口安裝的角度不同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小亦不同。為此，通過有限元分析軟件ANSYS，建立發(fā)射線圈三維模型，對(duì)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析和計(jì)算，并對(duì)在不同角度下的發(fā)射線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行比較，優(yōu)選非共軸感應(yīng)裝定線圈的最合適安裝角度。

1　共軸和非共軸感應(yīng)裝定和仿真方法

1.1共軸感應(yīng)裝定

圖1所示為一共軸式炮口感應(yīng)裝定的原理圖。發(fā)射線圈裝在炮口處，接收線圈裝在炮彈上，隨炮彈發(fā)射過程中穿過發(fā)射線圈。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，裝定信息在炮彈穿越發(fā)射線圈過程中完成。

圖1　共軸式感應(yīng)裝定

由于磁場(chǎng)的軸對(duì)稱性，將三維磁場(chǎng)簡(jiǎn)化成二維平面磁場(chǎng)進(jìn)行分析且僅計(jì)算截面的四分之一區(qū)域，其有限元模型如圖2所示。給發(fā)射線圈施加電壓、電流載荷和磁場(chǎng)邊界等條件，形成的磁場(chǎng)如圖3所示。

圖2　線圈有限元模型

圖3　線圈磁力線分布

二維設(shè)計(jì)的局限性在于發(fā)射線圈的ANSYS二維仿真設(shè)計(jì)僅能獲取到所在的xoy平面方向的磁場(chǎng)分布，不能夠在同一個(gè)模型中獲取立體空間中的任意方向上的分量。

1.2非共軸感應(yīng)裝定

圖4為一非共軸式炮口感應(yīng)裝定的基本模型，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為炮口平面的幾何中心點(diǎn)。發(fā)射線圈裝在炮管側(cè)壁上，其中發(fā)射線圈和炮管平面之間的夾角θ可以任意變化，但發(fā)射線圈不能超出炮口平面所在的平面。炮管外徑為0.12m，接收線圈是一個(gè)外徑為0.03m，內(nèi)徑為0.024m，高為0.001 5m的線圈，其軌跡可以看做是沿炮管中心軸線，即圖中Z軸正方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。接收線圈很小，可以以接收線圈幾何中心在運(yùn)動(dòng)路線上磁場(chǎng)的變化近似表示接收線圈的磁場(chǎng)變化，即發(fā)射線圈在Z軸正方向上的磁場(chǎng)分布引起接收線圈的磁場(chǎng)變化。

圖4　非共軸式炮口感應(yīng)裝定

1.3ANSYS仿真方法

根據(jù)ANSYS軟件原理，采用三維靜態(tài)節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行分析，選取SOLID97單元作為發(fā)射線圈和空氣模型單元。發(fā)射線圈選取AX、AY、AZ、VOLT自由度，空氣模型選取AX、AY、AZ自由度。設(shè)發(fā)射線圈為一個(gè)空心圓柱線圈，外徑長(zhǎng)為0.08m，匝數(shù)為50匝，每匝通過均勻電流為1A，在材料屬性設(shè)置中設(shè)發(fā)射線圈的電阻率為3×108Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0，空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。選擇默認(rèn)的6級(jí)智能劃分水平，對(duì)發(fā)射線圈進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完后，對(duì)發(fā)射線圈加載電流載荷，在加載項(xiàng)中選擇給Y軸方向上加載電流值。對(duì)于邊界條件，空氣模型包裹了發(fā)射線圈模型，在空氣模型外界面上設(shè)磁力線為0，它滿足第一類齊次邊界條件AZ=0，給空氣模型施加磁力線平行邊界條件FluxParl，最后選擇STATIC分析類型，求解得到仿真模型。

圖5　線圈模型及磁場(chǎng)分布

2　仿真優(yōu)選線圈安裝角度

發(fā)射線圈的三維仿真模型可以取空間中任意路徑上的磁場(chǎng)分布，為了獲取在不同角度下發(fā)射線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，且便于比較，在ANSYS仿真中首先確定某一路徑，然后通過建立局部坐標(biāo)系建立不同夾角下的發(fā)射線圈模型。以10°為單位，根據(jù)夾角θ從0°到90°的變化分別建立發(fā)射線圈模型，施加載荷后依次得到發(fā)射線圈在炮管中心軸線上的磁場(chǎng)分布。選取直線路徑為從原點(diǎn)(0,0,0)到點(diǎn)(0,0,0.5)。獲取不同角度下該路徑上的磁場(chǎng)分布圖，并進(jìn)行比較分析。

對(duì)不同角度下的發(fā)射線圈進(jìn)行仿真，在所選取路徑上的磁場(chǎng)分布如圖6～圖15，圖中橫坐標(biāo)是米/m，縱坐標(biāo)是特斯拉/T。

圖6　0°磁場(chǎng)分布

圖7　10°磁場(chǎng)分布

圖8　20°磁場(chǎng)分布

圖9　30°磁場(chǎng)分布

圖10　40°磁場(chǎng)分布

圖11　50°磁場(chǎng)分布

圖12　60°磁場(chǎng)分布

圖13　70°磁場(chǎng)分布

圖14　80°磁場(chǎng)分布

圖15　90°磁場(chǎng)分布

由上述所獲取到的磁場(chǎng)分布圖可以看出，隨著發(fā)射線圈和炮管平面之間的夾角θ從0°到90°變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度的極大值呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，最大值為1.507×10-3T，并且每條路徑上的極大值出現(xiàn)在距離炮口平面中心原點(diǎn)0.1m范圍內(nèi)，隨著夾角θ增大，極大值出現(xiàn)也愈來愈接近原點(diǎn)的位置，但磁場(chǎng)分布曲線的變化愈陡，根據(jù)畢奧―薩伐爾(Biot-Savart)定律，當(dāng)Z>R時(shí)，發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(1)

其中R是線圈半徑，Z是空間一點(diǎn)距線圈中心距離。當(dāng)夾角θ變化，炮管中心軸線相對(duì)于發(fā)射線圈的位置發(fā)生變化，發(fā)射線圈在炮管中心軸線上的磁場(chǎng)分布隨之變化。因此要根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的需要確定裝定窗口，在極大值滿足的情況下選擇盡量平緩的曲線分布，確定裝定窗口。

在每一角度下得到的磁場(chǎng)分布曲線上，從起點(diǎn)坐標(biāo)到0.2m等間距選取9個(gè)點(diǎn)，每條磁場(chǎng)分布曲線的各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度如表1(單位為10-4T):

(2)

在式子(2)中以接收線圈幾何中心在運(yùn)動(dòng)路線上磁場(chǎng)的變化近似表示整個(gè)接收線圈的磁場(chǎng)變化，其中ε為接收線圈的感應(yīng)電壓值，n為接收線圈的匝數(shù)， R為接收線圈的外徑，B為發(fā)射線圈在某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

表1　0°～90°各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度

利用OriginLab軟件，通過上述的采樣點(diǎn)對(duì)B和t的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，分別得到在不同角度下的B和t有關(guān)的函數(shù)B=f(t)。通過Matlab對(duì)函數(shù)B=f(t)進(jìn)行求導(dǎo)并得到其導(dǎo)數(shù)的函數(shù)曲線，即可得到接收線圈在不同角度下的感應(yīng)電壓變化分布曲線，進(jìn)而確定裝定窗口。圖16～圖25為不同角度下的接收線圈上的感應(yīng)電壓分布曲線。設(shè)炮彈速度為1 000m/s，圖中橫坐標(biāo)單位為10-1m，數(shù)量級(jí)為，縱坐標(biāo)單位為10-4V。

圖16　0°感應(yīng)電壓

圖17　10°感應(yīng)電壓

圖18　20°感應(yīng)電壓

圖19　30°感應(yīng)電壓

圖20　40°感應(yīng)電壓

圖21　50°感應(yīng)電壓

圖22　60°感應(yīng)電壓

圖23　70°感應(yīng)電壓

圖24　80°感應(yīng)電壓

圖25　90°感應(yīng)電壓

由上述得到的不同角度下的接收線圈的感應(yīng)電壓分布曲線，根據(jù)實(shí)際裝定要求確定裝定窗口。設(shè)能夠保證與接收線圈相聯(lián)接的引信內(nèi)部負(fù)載回路正常工作的最小值εk為1mv，利用Matlab軟件對(duì)每個(gè)角度下的感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算比較，得出每條路徑上值為εk的點(diǎn)的縱坐標(biāo)位置，然后換算成有效裝定區(qū)間長(zhǎng)度，因此各個(gè)角度下的有效磁場(chǎng)裝定區(qū)間長(zhǎng)度L如表2，單位為cm。

表2　有效磁場(chǎng)裝定區(qū)間長(zhǎng)度

綜上所述，當(dāng)炮彈初速度是1 000m/s，夾角為60°時(shí)，有效裝定區(qū)間長(zhǎng)度值最大，在滿足裝定條件下選取的空間裝定窗口最為合適。因此確定當(dāng)夾角為60°時(shí)，有最優(yōu)的空間裝定窗口。

3　電路驗(yàn)證

在實(shí)際工程中由于接收線圈的磁通量很難直接測(cè)量，所以通過測(cè)量接收線圈的感應(yīng)電壓計(jì)算磁通量及磁場(chǎng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)相關(guān)電路和制作線圈，發(fā)射線圈外徑長(zhǎng)為0.08m，匝數(shù)為50，接收線圈外徑長(zhǎng)為0.03m，匝數(shù)為100。將發(fā)射線圈連接上電路，接通外接電源。外接電壓為5V，發(fā)射線圈上接1Ω電阻，測(cè)量電阻兩端電壓。在示波器實(shí)際測(cè)量中由于以10°為遞增步長(zhǎng)不容易實(shí)現(xiàn)，因此選取0°、30°、60°、90°四個(gè)角度下進(jìn)行測(cè)量。得到如圖26～圖29所示，εk為1mV，通過示波器測(cè)量整理數(shù)據(jù)如表3。

圖26　0°

圖27　30°

圖28　60°

圖29　90°

Θ0°30°60°90°L9.14.710.64.2

由表3數(shù)據(jù)可得當(dāng)夾角為60°時(shí)，裝定區(qū)間長(zhǎng)度最大。

4　結(jié)論

本文通過有限元分析軟件ANSYS，當(dāng)炮彈初速度是 1 000m/s時(shí)，優(yōu)選出非共軸感應(yīng)裝定線圈的安裝角度為60°。仿真與分析表明，在炮口裝定線圈與身管夾角為60°時(shí)，磁場(chǎng)分布最佳，空間裝定窗口區(qū)間最大。

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(責(zé)任編輯周江川)

AngleofCoilonMuzzleInductionSetting

LILiang,CUIPeng-fei

(Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology,Xi’an710065,China)

Themuzzlevelocitycanbemodifiedbythemuzzleinductionsetting,andthecoilisinstalledattheoutsideofthemuzzlewhenthemuzzlebrakeisnotallowedortheshapeofthemuzzlebrakeisinappropriate.Theangleofthecoilonthenon-coaxialinductionsettingisveryimportantbutthereisnotechnicalstandards.ThepowerfulfiniteelementanalysissoftwareANSYSwasemployedtorecalculatewhentheappropriateangleis60°.Themagneticfieldandthesettingwindowisappropriatewhentheangleofthecoilandtheartillerybarrelis60°.

fuze;electromagneticinductionsetting; 3D;simulation

2016-04-29；

2016-05-16

李亮(1984—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事機(jī)械電子工程研究。

10.11809/scbgxb2016.09.009

format:LILiang,CUIPeng-fei.AngleofCoilonMuzzleInductionSetting[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):36-42.

TJ430.6

A

2096-2304(2016)09-0036-07

本文引用格式：李亮,崔鵬飛.炮口感應(yīng)裝定線圈的安裝角度[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):36-42.