磁驱动超高速飞片发射技术研究

摘要

磁驱动加载技术是近十年来国际上发展起来的一种新的实验加载技术，在材料动力学、动高压物理、冲击动力学和高能量密度物理等方面展现出广泛的应用前景。磁驱动准等熵加载是一种介于冲击和准静态之间的加载路径，既能将样品材料压缩到高压、又能保持较高等熵程度的准等熵过程，也是冲击压缩和准静态等温压缩实验之间的重要桥梁。本文研究的是磁驱动加载技术的另一种能力，即磁驱动飞片发射技术。美国利用该类加载技术，实现了45km/s的飞片速度，这是迄今为止人类在实验室所实现的宏观金属飞片发射的最高速度纪录。
　　本文在综述了国内外磁驱动飞片发射技术研究进展的基础上，基于本实验室所研制的CQ-4磁驱动等熵加载装置，通过实验和数值模拟，系统地研究了磁驱动飞片发射的物理过程，通过对负载区的初步优化设计，实现了15.2km/s的超高速宏观金属飞片发射。研究工作为后继的空间碎片防护、材料高压物性研究等均具有较大的参考和应用价值。论文取得的主要研究结果如下:
　　1、依据本实验室磁驱动实验装置的等效电路，建立了可带入参数为表达式的电路计算程序，结合LS-DYNA980-EM动力学计算软件，实现了一种耦合电路分析的磁驱动飞片计算方法。初步解决了耦合电路分析的磁驱动飞片物理过程计算问题，为磁驱动发射超高速飞片实验的优化设计奠定了重要基础。
　　2、基于耦合电路的三维磁流体动力学软件LS-DYNA980-EM，开展了磁驱动高速飞片驱动电极板结构的设计和优化研究。设计结果表明:1）驱动电极板沿电流方向设计成带“刻槽”和“耳朵”结构有利于电流和磁场分布均匀化的调整，缩短电极板的长度，给出了不同宽长比条件下“刻槽”和“耳朵”的较佳值;2）驱动电极镗孔结构比非镗孔结构更有利于加载面磁场均匀分布，同时有利于提高飞片平面度，主要原因是镗孔壁的存在减小了边侧变形;3）减小极板长度可使负载回路电感和电阻减小，缩短极板长度有助于提高飞片的速度和极板的加载压力。
　　3、基于CQ-4磁驱动实验装置开展了超高速飞片发射实验研究，将初始尺寸Φ5×0.35mm铝飞片发射至15.2km/s的超高速度，解决了10.7km/s以内飞片速度连续测量的问题。利用对称碰撞法和光纤探针阵列等诊断技术，研究了飞片的平面性和有效厚度，为冲击动力学领域的超高速撞击实验室模拟、材料的冲击压缩特性研究提供了重要支撑。实验数据验证了基于数值模拟的驱动电极板优化设计的结果，测量结果表明，对初始尺寸12（长）×9.2（宽）×0.73（厚）mm的飞片，速度达到6.5km/s时，直径Φ6mm范围内飞片平面性优于11ns、飞片的有效厚度约0.447mm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁驱动发射高速飞片研究的背景和意义

1．2 磁驱动超高速飞片发射技术的研究现状

1．2．1 实验技术方面

1．2．2 数值模拟方面

1．3 本文研究内容

第二章 磁驱动发射超高速飞片的数值模拟

2．1 三维磁流体动力学数值建模

2．1．1 物理模型

2．1．2 控制方程及假定

2．1．3 材料模型

2．2 脉冲放电电路与磁流体动力学模拟的耦合计算

2．2．1 电路计算模块建立

2．2．2 计算流程和方法

2．2．3 负载动态参数计算

2．3 计算结果分析

2．3．1 耦合电路后实验放电电流的计算

2．3．2 磁驱动飞片的计算及分析

2．4 本章小结

第三章 磁驱动发射超高速飞片的电极板优化设计

3．1 极板长度方向韵优化

3．2 极板宽度方向的优化

3．2．1 宽度方向变形的影响因素

3．2．2 宽度方向结构优化

3．3 极板设计

3．4 本章小结

第四章 磁驱动发射超高速飞片实验研究

4．1 磁驱动实验加载装置

4．2 实验测试技术

4．3 超高速飞片发射实验

4．4 飞片击靶特性诊断

4．4．1 飞片平面性测量

4．4．2 飞片有效厚度测量

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文的主要工作和结果

5．2 本论文的创新点

5．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文