线圈发射器驱动线圈的累积损伤失效研究

摘要

线圈发射器具有发射效率高、可实现超高速发射等优点，在军事和航空航天等领域得到了广泛关注。线圈发射器驱动线圈受到的电磁力很大，给线圈及其绝缘封装材料的选择和强度设计带来了挑战。实验研究中，出现了在5-6次发射后线圈发射器驱动线圈部位发生破坏的现象。为了设计出满足服役性能要求的线圈发射器，对破坏原因进行分析是十分必要的。
　　本文以实验所用线圈发射器为研究对象，通过电路-磁场-结构场耦合计算方法，对线圈及其绝缘封装的电磁场及应力应变分布进行了求解。针对电磁-结构耦合场计算中涉及到的载荷数据传递问题，提出一种异型网格映射方法，在电磁场和结构场计算时分别以最适合其特征的方式进行离散，不要求各物理场网格完全匹配，而是通过异型网格映射的方法来实现数据传递，将该方法应用于参考文献中所研究的对象，通过计算结果与文献中实验结果进行对比，证明了该方法的有效性。在电磁-结构耦合场分析的基础上，对于绝缘封装非金属材料，采取静强度评估方法进行失效判断，即认为当绝缘封装所受最大应力超过其强度极限时发生失效；对于线圈金属材料，除采取静强度评估方法外，还结合其应力/应变-寿命曲线进行了疲劳寿命分析。结果显示：绝缘封装所受最大应力超过了其强度极限，在应力集中处产生了裂纹，随着线圈发射器的继续发射，破坏区域逐渐扩大直至绝缘封装完全破坏。
　　针对绝缘封装易破坏特点，本文采用玻璃纤维增强树脂基复合材料代替原有绝缘封装材料解决了这一问题。线圈所受最大应力小于其屈服强度，没有发生静强度失效，但在多次发射后可能出现疲劳破坏。进一步展开线圈铜材料的疲劳试验，结合局部应力应变分析法对线圈疲劳裂纹的形成寿命进行了估算。通过对断口的微观形貌进行观察，对线圈的疲劳累积损伤机理进行了分析。本文的研究方法可作为线圈发射器设计的理论指导和剩余使用价值评估的依据，具有一定的工程实际意义。

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1绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及创新之处

2磁场-结构场耦合数值计算方法

2.1引言

2.2电磁-结构场的基本方程

2.3电磁-结构场的有限元模型

2.4有限元方程的数值求解方法

2.5一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格数据映射方法

2.6本章小结

3累积损伤失效分析方法

3.1引言

3.2静强度评估方法

3.3基于局部应力-应变法的裂纹形成分析方法

3.4基于断裂力学的裂纹扩展分析

3.5本章小结

4驱动线圈的累积损伤失效分析

4.1引言

4.2线圈发射器的实物与模型

4.3材料属性

4.4基于场路耦合时步有限元的电磁场分析

4.5结构场与裂纹扩展分析

4.6本章小结

5材料改进后的累积损伤失效分析

5.1引言

5.2绝缘封装材料的改进

5.3线圈的疲劳寿命特性

5.4累积损伤失效分析

5.5本章小结

6总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录：攻读工程硕士学位期间发表的部分科研成果

致谢