prezentacja_MES [tryb zgodnoœci]

Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium
„A new approach to railgun operation.”
Prowadzący: dr hab. T. Stręk
Przygotowali:
WBMiZ MiBM
Piotr Kubiak
Paweł Berlak
Tomasz Bartkowiak
KMiU
1. Istota i znaczenie MES.
2. Działo kinetyczne.
3. Badania nad działem kinetycznym.
4. Zastosowanie działa kinetycznego.
Literatura.
Definicja:
Jako Metodę Elementów Skończonych lub inaczej Metodę
Elementu Skończonego (MES, ang. FEM, finite - element method)
definiujemy zaawansowaną metodę rozwiązywania układów
równań różniczkowych, która bazuje na podziale dziedziny na
skończone elementy (tzw. dyskretyzacja), dla których rozwiązanie
jest przybliżane przez konkretne funkcje, i przeprowadzaniu
faktycznych obliczeń tylko dla węzłów tego podziału.
Jeśli obliczany model posiada symetrię kształtu i wymuszenia,
wówczas można obliczyć tylko część obiektu celem szybszego
uzyskania wyników.
Zastosowanie:
- Za pomocą metody bada się w mechanice komputerowej (CAE)
wytrzymałość konstrukcji, symuluje odkształcenia , naprężenia, przemieszczenia,
przepływ ciepła, przepływ cieczy.
- Bada się również dynamikę, kinematykę i statykę maszyn, jak również
oddziaływania elektrostatyczne, magnetostatyczne i elektomagnetyczne.
- Obliczenia MES mogą być przeprowadzone w przestrzeni dwuwymiarowej
(2D), gdzie dyskretyzacja sprowadza się najczęściej do podziału obszaru
na trójkąty. Rozwiązanie takie pozwala na obliczenie wartości pojawiających się w
przekroju danego układu. Związane są z tym jednak pewne ograniczenia
wynikające ze specyfiki rozwiązywanego problemu (np. kierunek przepływu tylko
przenikający modelowaną powierzchnię, itp.)
- Z uwagi na postęp techniki komputerowej w ostatnich latach większość
pakietów symulacyjnych wyposażona jest w możliwość rozwiązywania zagadnień
w przestrzeni trójwymiarowej (3D). Dyskretyzacja zazwyczaj polega na podziale
obszaru na czworościany. Modelowanie takie pozbawione jest fundamentalnych
ograniczeń technologii 2D, ale jest znacznie bardziej wymagające pod względem
pamięci i mocy obliczeniowej komputera.
WADY I ZALETY MES:
- Podstawową zaletą MES jest możliwość uzyskania wyników dla
skomplikowanych
kształtów,
dla
których
niemożliwe
jest
przeprowadzenie obliczeń analitycznych. Oznacza to, że dane
zagadnienie może być symulowane w pamięci komputera, bez
konieczności budowania prototypu, co znacznie ułatwia proces
projektowania.
- Podział obszaru na coraz mniejsze elementy skutkuje zazwyczaj
dokładniejszymi wynikami obliczeń, ale jest to okupione zwiększonym
zapotrzebowaniem na moc obliczeniową komputera.
- Symulacje MES nie mogą być przeprowadzane w czasie
rzeczywistym
-Dodatkowo, wartości obliczone metodą MES obarczone mogą być
błędami, których wartość zależy od założeń przyjętych podczas
formułowania problemu do rozwiązania, jak również i dokładności
dostępnych danych materiałowych.
Electromagnetic Railgun - broń kinetyczna - tzw. działo kinetyczne - opracowana z
myślą o nowych okrętach nawodnych Floty Stanów Zjednoczonych US Navy i
Amerykańskich Sił Lądowych US Army. Inne wersje tej broni są opracowywane jako broń
przeciwlotnicza (pociski naddźwiękowe czy jako wyrzutnia wojskowych satelitów).
Zasada działania:
Działo kinetyczne zwane też działem szynowym. Zasada działania jest dość prosta mimo
stopnia zaawansowania technologicznego broni:
-Pocisk zbudowany jest z dobrego przewodnika (lub co najmniej pokryty dość grubą
warstwą materiału przewodzącego) i umieszczony pomiędzy dwiema przewodzącymi
szynami. Początek szyn (licząc od tyłu lufy) jest podłączany do zasilania.
- W momencie włączenia zasilania powstaje obwód szyna-pocisk-szyna, przez który
płynie znaczny prąd. Obwód ten wytwarza silne poprzeczne pole magnetyczne. Na szyny
oraz pocisk działa siła elektrodynamiczna starająca się rozsunąć szyny i wyrzucić pocisk.
Szyny są unieruchomione, więc siła elektrodynamiczna wykonuje pracę tylko względem
pocisku.
Rys. Schemat i zasada działania działa kinetycznego.
Konstrukcja pomimo pozornej prostoty stwarza istotne problemy:
- Działo jest zasilane olbrzymimi prądami (w wersji US Navy ok. 5 MA), których
dostarczenie wymaga stosowania wielkich i ciężkich źródeł zasilania.
- Na powierzchni styku pocisku z szynami powstaje plazma, która powoduje
erozję szyn (w obecnych systemach wymagają one wymiany już po kilku
strzałach)
- Siły działające na szyny są znaczne, co stawia wysokie wymagania
mechaniczne dla konstrukcji.
Osiągi:
Według technologów, metalurgów i balistyków pociski wystrzelone z działa tego typu
mogłyby osiągnąć prędkość 8 Ma (3600 m/s), czyli ośmiokrotnie przekroczyć barierę
dźwięku. Pocisk taki nie musiałby posiadać żadnej głowicy bojowej, czy ładunku
wybuchowego bo jego siła rażenia ograniczałaby się do gigantycznej energii
kinetycznej (100 megadżuli), która by bez problemu niszczyła i kruszyła pancerze i
budowle. Do niszczenia samolotów na lotniskach, anten radarów i do zwalczania siły
żywej oraz tzw. celów miękkich pocisk ma być wystrzeliwany z działa, a przed
bezpośrednim trafieniem pocisk uwalniałby chmurę stalowych kul niszczących cele
swoją wielką energią kinetyczną. Duża prędkość i wg przewidywań mała masa pocisku
pozwoliłyby na osiągnięcie nieosiągalnego dla prochowych dział zasięgu 300 mil
morskich (555 km). Do zasilania jednego działa tego typu potrzeba 15 MW mocy.
Na podstawie artykułu: „A new approach to railgunoperation” a discussion
with DR. Paul J. Cote Benet Laboratories, US Army Research.
Działa kinetyczne – które wprawiają w ruch pociski przy użyciu sił
elektromagnetycznych zamiast eksplozji chemicznych, mogą
zrewolucjonizować konwencjonalne wyrzutnie pocisków. W porównaniu
do konwencjonalnych broni mogą podwoić prędkość wylotu pocisku z
lufy, a przez co mogą znacząco powiększać zasięg ognia. Tego rodzaju
bronie zostały skonstruowane i z powodzeniem wprowadzone na
poziomie testów, jednak niektóre problemy wstrzymują je od użycia ich
w terenie. By rozwiązać te problemy, naukowcy muszą zrozumieć
wewnętrzne funkcjonowanie tych broni . Członkowie amerykańskiej
wojskowej komendy badań konstrukcyjnych i rozwoju stosują w tym celu
program COMSOL Multiphysics.
W działach kinetycznych zasilacz generują napięcie, wzdłuż równoległych
przewodnikowych szyn. Natomiast przewodzące pociski zwane przewodnikiem,
dotykają obu szyn tak aby zamknąć obwód prądu. Impuls napięcia generuje
bardzo duży prąd a powstające przy tym pole magnetyczne zwiększa prędkość
pocisku wzdłuż szyn a następnie przez lufę. Szczytowe wartości prądu mogą
sięgać w dużych systemach 1000 kA.
Ten prąd jednakże generuje znaczne problemy szczególnie wzdłuż szyn,
które są narażone na znaczną erozję. Spowodowane jest to znacznym ciepłem
generowanym przez prąd oraz impulsem napędowym przewodnika. Działa
kinetyczne wymagają obecnie częstej wymiany szyn co ogranicza ich efektywne
użycie jako broni standardowych - konwencjonalnych.
Jak generowane jest pole elektromagnetyczne?
Wymaganych jest wiele badań by określić najlepsze materiały i
konstrukcję skutecznych dział kinetycznych. Jednak jak dokładnie są
generowane pola magnetyczne i jakie jest ich rozszerzanie się?
Nowe podejście do analizy dział kinetycznych proponuje miejscowe
generowanie przepływu, jako źródło pola magnetycznego w powiązaniu z
ruchem przewodnika. Kiedy przewodnik się porusza, przestrzeń za nim
jest nieustannie wypełniana nowym przepływem, więc indukowane pole
magnetyczne powstaje w pobliżu przewodnika tak, że potencjalnie
niszczące pola powstają na długości całej szyny.
Grupa konstruktorów zastosowała COMSOL Multiphisics by wnikliwie
zanalizować problem. Odkryli, że doświadczalne wyniki pozwalają
zrozumieć wcześniej niewytłumaczalne zjawisko. Dzięki modelom
programu COMSOL grupa badawcza odkryła dwie rzeczy. Po pierwsze
zależność linii transmisji od szyn. Po drugie dzięki temu modelowi pokazali
również, że miejscowe generowanie przepływu może mieć wpływ na
rozchodzenie się prądu w przewodniku i wokół niego.
Naukowcy stworzyli dwa modele: 2D i 3D.
Model 2D miał za zadanie sprawdzić
poprawność równań opisujących rozkład pola
elektrycznego.
Model trójwymiarowy miał zilustrować rozkład
pola i rozpływ prądu w uzwojeniach w czasie
rozpędzania pocisku.
Rys. Grupa naukowców z US Army Reserch Engineering and Development Command, Watervliet, NY, przy dziale kinetycznym.
Działo kinetyczne ma zostać umieszczone jako podstawowa broń artyleryjska na
okrętach Floty USA i być może Wielkiej Brytanii. Przede wszystkim jest projektowana
dla nowych krążowników typu CG(X) (obecnie projektowanych następców jednostek
typu Ticonderoga), być może także pojazdów programu Future Combat Systems.
Obecnie agencja DARPA prowadzi badania nad skonstruowaniem dużego
działa elektromagnetycznego ulokowanego pod górą. Miałoby ono niszczyć pociski
ponaddźwiękowe oraz wystrzeliwać na orbitę okołoziemską wojskowe satelity.
Artykuł: „A new approach to railgun operation”, Comsol News 2007
Artykuł: „Artyleria bez prochu – railgun”, Raport wojsko technika obronność 2007
Wikipedia.com
http://www.youtube.com/watch?v=jgalp9bwUO4