Simulation of mechanical behaviour of the electromagnetic railgun by finite element method

Abstract

The numerical analysis of electromagnetic railgun dynamics under transient load is considered in current PhD thesis. The object of investigation is electro-magnetic accelerator EMA-3 at French-German institute of Sain-Louis (ISL). The aim of work covers the development of the finite element model of the EMA-3 rail gun and its application for investigation of the mechanical behaviour of railgun under differently induced loading regimes. There are several tasks under consideration. The first one is development of the finite element model. The 2D model consisting of four node plane and elastic springs was suggested and examined. The second one is evaluation of influence particular loading to dynamic behaviour and giving of recommendations. This thesis contains introduction, four chapters, the summary of results and conclusions, and the list of cited literature and list of publications of the author. In introductory chapter, the problem is formulated and relevance of the work is discussed. The goals and objectives of the work, research methodology and scientific novelty, practical significance and defended propositions are briefly described. Publications and reports at conferences on the theme of dissertation are presented at the end of introduction. The first chapter covers the review of the references on the electromagnetic railgun. It contains description of the development history, physical principles and decisive factors. Later, the gun structure is considered with the focus on the mechanic behaviour, various types. Review of computational models is mainly devoted to the finite element method. The conclusions and particular tasks of this work stemming from the review are formulated at the end of this chapter. The finite element model of the electromagnetic railgun is considered in the second section. Model details and quality examinations tests are presented. The third section contains description of factors used for characterisation of mechanical behaviour of the electromagnetic railgun. The original results on the railgun behaviour under action of moving load with constant velocity are pre-sented. Comparison with other results is given. Two experimentally measured loadings under differently induced current in-jections are investigated in the fourth section. Te detailed comparison and analy-sis of advantages and shortcomings is presented. 4 reports at conferences in Lithuania and 2 reports at international conferences were presented on the theme of dissertation. 5 articles were published: 4 in journals included in Thomson ISI Web of Science list, 1 in conference materials referred in ISI Proceedings data-base.

Disertacijoje baigtinių elementų metodu nagrinėjamas elektromagnetinės šaudyklės (EMŠ) konstrukcinių dalių mechaninis būvis, veikiant dinaminei ap-krovai. Tyrimo objektas yra EMŠ „EMA-3“. Šaudyklės mechaninė dalis sudaryta iš elektrai laidžių bėgių, pritvirtintų prie dielektrinio pagrindo. Tiriama mechani-nio būvio rodiklių priklausomybė nuo apkrovos pobūdžio ir šaudyklės bėgių įtvirtinimo. Šaudyklės mechaninio būvio nustatymas jos darbo metu leistų tiks-liau prognozuoti jos elgseną, pagreitintų projektavimą, tobulinimą ir atpigintų eksploatavimą. Disertacijos tikslas yra skaitiniais metodais aprašyti ir ištirti šau-dyklės mechaninį deformavimą, veikiant dinaminei apkrovai, ištirti mechaninio būvio rodiklių priklausomybes nuo apkrovos parametrų, palyginti skirtingus ap-krovų režimus. Remiantis gautais skaičiavimo rezultatais, siekiama įvertinti šių veiksnių įtaką ir teikti siūlymus režimų patobulinimui. Darbe spręsti keli uždaviniai: sudarytas ir ištirtas „EMA-3“ šaudyklės skaiti-nis baigtinių elementų modelis. Pasiūlytais rodikliais įvertintas šaudyklės mecha-ninis būvis ir palyginta realių apkrovų įtaką bėgių deformavimui. Uždaviniai su-formuluoti atsižvelgiant į esamų modelių ribotumą, į šaudyklės rezonansinę elgseną kritinio greičio aplinkoje ir į tinkamo darbinio režimo parinkimo proble-mą. Disertaciją sudaro įvadas ir keturi skyriai. Įvade apibrėžta tyrimų sritis ir aktualumas, aprašyta mokslo problema, su-formuluotas darbo tikslas ir uždaviniai, paminėti naudoti tyrimo metodai, aptartas darbo naujumas ir originalumas, paaiškinta praktinė vertė, pristatyti autoriaus pranešimai ir publikacijos, disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje pateikta literatūros apžvalga elektromagnetinės šaudyk-lės tema. Aprašyta konstrukcija, šaudyklių tipai, skaičiuojamieji modeliai, skirti mechaniniams reiškiniams analizuoti. Antrajame skyriuje pateiktas EMŠ skaičiuojamasis BEM modelis. Aprašyti modelio sudarymo etapai ir pateikti modelio tyrimų rezultatai. Trečiajame skyriuje pateikti rodikliai mechaniniam EMŠ būviui įvertinti, ap-rašyti originalūs skaitiniai EMŠ tyrimai, veikiant pastoviu greičiu judančiai ap-krovai ir pateiktas mechaninio būvio rodiklių sugretinimas su kitais metodais gautais rezultatais. Ketvirtajame skyriuje pirmą kartą ištirti ir palyginti du realūs darbiniai šau-dyklės apkrovos režimai. Parodytas vieno iš tirtų režimų pranašumas. Disertacijos tema perskaityti 2 pranešimai Lietuvos ir kitų šalių konferenci-jose ir paskelbti 4 straipsniai leidiniuose, referuojamuose Thomson ISI duomenų bazėje.