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基于电磁炮原理的碰撞吸能系统快速推出技术研究

作者:雷正保 易晓剑 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-07-14   浏览

本学术论文《基于电磁炮原理的碰撞吸能系统快速推出技术研究》,转载自学术期刊《电子技术与软件工程》2014年12期 发表过的职称 论文,原文作者:雷正保易晓剑,由中国学术论文网编辑整理录入,仅供您在电磁炮,碰撞吸能系统,快速推出,有限元仿真等方面参考学习。

雷正保易晓剑

摘 要

为解决螺纹剪切式汽车碰撞吸能系统(CST)的快速推出问题,基于军事和工程中广泛应用到的电磁炮原理,本文将电磁炮应用到CST系统,创新设计出一种碰撞吸能系统快速推出装置结构;将该技术结合前期研究中CST装置的软硬件系统进行研究,并通过有限元仿真,探讨出对应参数对CST型碰撞吸能系统快速推出装置性能的影响,得出该快速推出系统满足可行性要求且能在CST系统上得到实际应用的结论。

【关键词】电磁炮 碰撞吸能系统 快速推出 有限元仿真

随着汽车工业的迅猛发展和人们安全意识的不断增强,各汽车行业相继展开了汽车碰撞吸能装置的研究,特别是针对于汽车前碰撞缓冲吸能结构。长沙理工大学雷正保教授发明了螺纹剪切式汽车碰撞吸能系统(CST),它是针对压溃式吸能结构在性能方面存在的局限性和问题创新提出的一种将缓冲吸能空间拓展到汽车外部的新概念智能化汽车碰撞吸能结构。该装置能够保证碰撞吸能过程的连续性和平稳性,具有很好的吸能效果。而如果改进装置推进,能使得螺纹剪切式碰撞吸能系统在碰撞危险发生的瞬间及时快速地伸出车体外部,将大大提高该系统的反应速度,具有重要的意义。

1 电磁炮与电磁推进

电磁炮是利用电磁发射技术的一种先进动能杀伤武器,具有能源利用率高、性能优良和结构多样的特点。与传统火炮不同,电磁炮利用电磁系统中电磁场的作用力,可大大提高弹丸的速度。线圈炮是电磁炮中的显著代表,其基本结构如图1所示:

电磁炮工作的核心是线圈,主要由感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。固定线圈相当于炮身,可动线圈相当于弹丸。当固定线圈接通电源,所产生的磁场与可动线圈上的感应电流相互作用,产生洛伦茨力,推动弹丸线圈加速射出。弹丸所受的力可表示为 F=If·Ip·dM/dx,其中F为洛伦兹力(N)、If为固定线圈中的电流强度(A)、Ip为弹丸线圈中的电流强度(A)、M为固定与可动线圈的互感(H)、dM/dx为互感梯度(H/m)。

由电磁炮原理衍生出了电磁推进技术。磁阻式线圈发射不要求电源有很大的电流变化量,只要线圈中有电流,就会产生电磁力,拉动铁磁材料运动,且不影响其加速形式。考虑到汽车蓄电池的特点,结合前期相关研究,创新性地将电磁发射应用到装有CST装置的汽车上来。

2 快速推出在CST系统的可行性研究

结合电磁推进技术的特点,拟选定磁阻式装置作为推出装置,图2为CST工作示意图。装置由螺纹管、螺杆、定位支承等组成,螺杆由定位支承导向,螺纹管固定在车身上,定位支撑既可与螺纹管作为一体,也可以独立设置。当碰撞力作用在螺杆上,凸缘沿轴向对螺纹管的螺纹实施高应变率剪切,直至轴向碰撞力不足以剪切螺纹而处于平衡,碰撞能量被逐渐吸收。在螺纹剪切过程中,由于螺纹圈是连续的,所以整个吸能过程是连续、渐进的;碰撞过程平稳,符合汽车碰撞时理想吸能特性的全部要求。具体材料参数如表1。

拟采用的线圈发射器由螺纹管驱动线圈和铁磁性材料吸能杆组成,其结构原理如图3所示。

如图2,对螺线管驱动线圈通以直流电,线圈磁动势产生的磁通拉动螺杆往线圈中心方向加速运动。当离开线圈中心时,向前的拉力变为向后的阻力,螺杆减速推进。在限位机构和阻力作用下停止运动,此时,螺杆伸出车体,进行吸能,达到了保障CST系统良好吸能作用的有效发挥,避免或减轻直接撞击车体导致的变形和破坏,使碰撞吸能部件真正起到保障汽车和乘员的作用。

利用有限元仿真,探索出本装置的有限元模型建模方法,并应用该软件的静磁场模块对模型进行分析,设定材料属性、边界条件,施加载荷,设定激励源,得到求解,并得出如图4a和图所示的二维效果图和图4b所示的三维效果图:

3 结合快速推出装置的CST系统研究

3.1 硬件系统

这里CST系统用一小车模型进行模拟演示,该装置减小了设计难度,也降低了开发成本。

(1)采用超声波测距模块进行距离数据采集,以代替毫米波雷达测距模块,硬件如图5所示。

(2)采用FF-050SK-11170微型直流电机进行模拟演示。系统的速度信息是用电机带动一圆遮光板模拟车轮转动的形式来获得。

3.2 软件系统

编程方式为C语言,系统主流程图如图6所示:

(1)距离测量模块。本系统的软件系统设计中,超声波测距模块提供了内部数据的具体处理程序。模组实际能测得的最大距离在1m左右,由于其限制,系统将程序进行稍微修改,将该值放大200倍处理以便协调。

(2)速度测量计算模块。为了防止多个中断造成程序复杂化和干扰,程序中采用直接设置本车速度的方式,采用脉宽调速方式控制直流电机转速。

4 相关结构参数优化设计

快速推进装置功能的实现,能有效的保证螺纹剪切式吸能系统正常发挥其吸能作用,因此,对快速推进装置结构参数的优化设计非常重要 。影响推进装置性能的参数包括:线圈参数、螺杆结构以及电源参数等。利用静磁场参数化模块对装置进行结构参数分析及设计,采用13A的电流作为电源条件,符合现有车载蓄电池电源特点。

4.1 线圈参数对推进装置性能的影响

线圈匝数为1000匝,这里针对缠绕的线圈长度设计,分别取100mm,150mm,200mm,250mm,300mm这五个线圈长度参数进行仿真,对五组线圈长度的20个位置进行仿真得到线圈长度与电磁力的大小对应关系如图7。

由图,线圈的长度越短,电磁力的峰值越大。整个电磁力曲线包围的面积相对应的是推力能量,当线圈长度为100mm时峰值虽然最大,但加速时间过短,推进效果并不理想;线圈长度150mm时加速效果最好。因此选定线圈的径向长度150mm。

4.2 螺杆的尺寸参数对推进装置性能的影响

螺杆的尺寸由螺纹剪切吸能系统的吸能性能决定,因此螺杆上螺纹的尺寸确定,下面研究空心螺杆的壁厚对推进装置效果的影响,保持螺纹的尺寸不变,改变螺杆的壁厚,分别取实心、壁厚为5mm、10mm和15mm进行仿真,结果如图8所示。

可以看出,壁厚越大,螺杆所受到的电磁力越大。但壁厚越大,螺杆质量也大,一方面受到的空气和摩擦阻力越大,另一方面,获得的加速度a不一定越大,特别是螺杆尺寸和质量相对而言是比较大的,故最终获得的加速度是变小的。

因此,在能够保证吸能系统吸能效果的前提下,应该尽可能的减小螺杆的质量,如采用空心螺杆,或采用同等吸能效果但质量更轻的材料,综合考虑,采用壁厚为10mm的螺杆。

4.3 电源参数对推进装置性能的影响

根据上述结果,选择优化后的螺杆壁厚、螺杆长度、线圈径向长度和线圈匝数等结构参数如表2。

通过对模型分别施加大小为40A、55A、70A、85A、100A的电流值,针对螺杆相对于线圈的不同位置,得到电磁力曲线图如图9所示。如图9,施加100A电流值时,得到的电磁力峰值为2520N。

由牛顿定律,推进过程中的加速度曲线与受力曲线波形一致,由于整个推进过程为非线性变化,为了简化,本文将整个过程看作是匀加速和匀减速两个对称阶段,加速度的大小近似取最高峰值的一半,即由推进峰值可以大致估算推进时间。施加70A电流时,螺杆的推进时间约为0.09s,施加80A电流时,螺杆的推进时间约为0.1s,该两组参数下的装置均能达到快速推出使用要求。进一步研究结果表明,电源电流值在55A~80A范围时,改进后的快速推进装置均能够在瞬间反应,实现快速推进。内燃机汽车采用升压装置,电动汽车中则无需升压,可满足应用。

5 结语

本文主要针对电磁炮应用在CST上作为快速推出装置进行可行性分析,研究并得到了系统的合理匹配方式;结合CST装置和前期研究,进行对应的软硬件系统匹配设计;利用相关仿真软件,对其结构参数进行有限元仿真分析,综合分析后得到装置合理的结构参数。

改进后的快速推进装置能够在瞬间反应,实现快速推进。与提前预警系统相结合,将更有助于改善推进效果,使得螺纹剪切式碰撞吸能系统在碰撞危险发生的瞬间,及时快速的伸出车体外部,发挥其优越的吸能作用,保护乘员和汽车的安全。

参考文献

[1]雷正保.螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置[P].中国.ZL03124568.4,2005(10).

[2]雷正保.自适应冲击能量吸收装置[P].中国.ZL200710034933.2,2008(08).

[3]雷正保,王素娟,付爱军等.汽车碰撞的安全与吸能[M].长沙:国防科技大学出版社,2008.

[4]张海燕.线圈炮电磁过程动态仿真技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学[硕士论文],2005.

[5]朱海文,雷正保,李静.螺纹剪切式碰撞吸能系统快速推进装置研究[J].机械设计与研究,2009,25(6).

[6]刘国强,赵凌志,蒋继娅等著.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2008(05):5-11.

[7]张榴晨,徐松.有限元法在电磁计算中的应用[M].北京:中国铁道出版社,1999(08):1-8.

作者简介

雷正保(1964-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为汽车安全领域。

易晓剑(1990-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院研究生,主要研究方向为汽车安全技术。

作者单位

长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南省长沙市 410114

螺杆的尺寸由螺纹剪切吸能系统的吸能性能决定,因此螺杆上螺纹的尺寸确定,下面研究空心螺杆的壁厚对推进装置效果的影响,保持螺纹的尺寸不变,改变螺杆的壁厚,分别取实心、壁厚为5mm、10mm和15mm进行仿真,结果如图8所示。

可以看出,壁厚越大,螺杆所受到的电磁力越大。但壁厚越大,螺杆质量也大,一方面受到的空气和摩擦阻力越大,另一方面,获得的加速度a不一定越大,特别是螺杆尺寸和质量相对而言是比较大的,故最终获得的加速度是变小的。

因此,在能够保证吸能系统吸能效果的前提下,应该尽可能的减小螺杆的质量,如采用空心螺杆,或采用同等吸能效果但质量更轻的材料,综合考虑,采用壁厚为10mm的螺杆。

4.3 电源参数对推进装置性能的影响

根据上述结果,选择优化后的螺杆壁厚、螺杆长度、线圈径向长度和线圈匝数等结构参数如表2。

通过对模型分别施加大小为40A、55A、70A、85A、100A的电流值,针对螺杆相对于线圈的不同位置,得到电磁力曲线图如图9所示。如图9,施加100A电流值时,得到的电磁力峰值为2520N。

由牛顿定律,推进过程中的加速度曲线与受力曲线波形一致,由于整个推进过程为非线性变化,为了简化,本文将整个过程看作是匀加速和匀减速两个对称阶段,加速度的大小近似取最高峰值的一半,即由推进峰值可以大致估算推进时间。施加70A电流时,螺杆的推进时间约为0.09s,施加80A电流时,螺杆的推进时间约为0.1s,该两组参数下的装置均能达到快速推出使用要求。进一步研究结果表明,电源电流值在55A~80A范围时,改进后的快速推进装置均能够在瞬间反应,实现快速推进。内燃机汽车采用升压装置,电动汽车中则无需升压,可满足应用。

5 结语

本文主要针对电磁炮应用在CST上作为快速推出装置进行可行性分析,研究并得到了系统的合理匹配方式;结合CST装置和前期研究,进行对应的软硬件系统匹配设计;利用相关仿真软件,对其结构参数进行有限元仿真分析,综合分析后得到装置合理的结构参数。

改进后的快速推进装置能够在瞬间反应,实现快速推进。与提前预警系统相结合,将更有助于改善推进效果,使得螺纹剪切式碰撞吸能系统在碰撞危险发生的瞬间,及时快速的伸出车体外部,发挥其优越的吸能作用,保护乘员和汽车的安全。

参考文献

[1]雷正保.螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置[P].中国.ZL03124568.4,2005(10).

[2]雷正保.自适应冲击能量吸收装置[P].中国.ZL200710034933.2,2008(08).

[3]雷正保,王素娟,付爱军等.汽车碰撞的安全与吸能[M].长沙:国防科技大学出版社,2008.

[4]张海燕.线圈炮电磁过程动态仿真技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学[硕士论文],2005.

[5]朱海文,雷正保,李静.螺纹剪切式碰撞吸能系统快速推进装置研究[J].机械设计与研究,2009,25(6).

[6]刘国强,赵凌志,蒋继娅等著.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2008(05):5-11.

[7]张榴晨,徐松.有限元法在电磁计算中的应用[M].北京:中国铁道出版社,1999(08):1-8.

作者简介

雷正保(1964-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为汽车安全领域。

易晓剑(1990-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院研究生,主要研究方向为汽车安全技术。

作者单位

长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南省长沙市 410114

螺杆的尺寸由螺纹剪切吸能系统的吸能性能决定,因此螺杆上螺纹的尺寸确定,下面研究空心螺杆的壁厚对推进装置效果的影响,保持螺纹的尺寸不变,改变螺杆的壁厚,分别取实心、壁厚为5mm、10mm和15mm进行仿真,结果如图8所示。

可以看出,壁厚越大,螺杆所受到的电磁力越大。但壁厚越大,螺杆质量也大,一方面受到的空气和摩擦阻力越大,另一方面,获得的加速度a不一定越大,特别是螺杆尺寸和质量相对而言是比较大的,故最终获得的加速度是变小的。

因此,在能够保证吸能系统吸能效果的前提下,应该尽可能的减小螺杆的质量,如采用空心螺杆,或采用同等吸能效果但质量更轻的材料,综合考虑,采用壁厚为10mm的螺杆。

4.3 电源参数对推进装置性能的影响

根据上述结果,选择优化后的螺杆壁厚、螺杆长度、线圈径向长度和线圈匝数等结构参数如表2。

通过对模型分别施加大小为40A、55A、70A、85A、100A的电流值,针对螺杆相对于线圈的不同位置,得到电磁力曲线图如图9所示。如图9,施加100A电流值时,得到的电磁力峰值为2520N。

由牛顿定律,推进过程中的加速度曲线与受力曲线波形一致,由于整个推进过程为非线性变化,为了简化,本文将整个过程看作是匀加速和匀减速两个对称阶段,加速度的大小近似取最高峰值的一半,即由推进峰值可以大致估算推进时间。施加70A电流时,螺杆的推进时间约为0.09s,施加80A电流时,螺杆的推进时间约为0.1s,该两组参数下的装置均能达到快速推出使用要求。进一步研究结果表明,电源电流值在55A~80A范围时,改进后的快速推进装置均能够在瞬间反应,实现快速推进。内燃机汽车采用升压装置,电动汽车中则无需升压,可满足应用。

5 结语

本文主要针对电磁炮应用在CST上作为快速推出装置进行可行性分析,研究并得到了系统的合理匹配方式;结合CST装置和前期研究,进行对应的软硬件系统匹配设计;利用相关仿真软件,对其结构参数进行有限元仿真分析,综合分析后得到装置合理的结构参数。

改进后的快速推进装置能够在瞬间反应,实现快速推进。与提前预警系统相结合,将更有助于改善推进效果,使得螺纹剪切式碰撞吸能系统在碰撞危险发生的瞬间,及时快速的伸出车体外部,发挥其优越的吸能作用,保护乘员和汽车的安全。

参考文献

[1]雷正保.螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置[P].中国.ZL03124568.4,2005(10).

[2]雷正保.自适应冲击能量吸收装置[P].中国.ZL200710034933.2,2008(08).

[3]雷正保,王素娟,付爱军等.汽车碰撞的安全与吸能[M].长沙:国防科技大学出版社,2008.

[4]张海燕.线圈炮电磁过程动态仿真技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学[硕士论文],2005.

[5]朱海文,雷正保,李静.螺纹剪切式碰撞吸能系统快速推进装置研究[J].机械设计与研究,2009,25(6).

[6]刘国强,赵凌志,蒋继娅等著.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2008(05):5-11.

[7]张榴晨,徐松.有限元法在电磁计算中的应用[M].北京:中国铁道出版社,1999(08):1-8.

作者简介

雷正保(1964-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为汽车安全领域。

易晓剑(1990-),男,现为长沙理工大学汽车与机械工程学院研究生,主要研究方向为汽车安全技术。

作者单位

长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南省长沙市 410114

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