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 Navyok. 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 FlotyUSAi być możewielkiej Brytanii. Przede wszystkim jest projektowana dla nowych krążowników typucg(x)(obecnie projektowanych następców jednostek typuticonderoga), być może także pojazdów programufuture Combat Systems. Obecnie agencjadarpaprowadzi badania nad skonstruowaniem dużego działaelektromagnetycznegoulokowanego 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