国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目“极端条件下电磁能装备电磁综合性能与可靠性统一设计方法(No.92066206)”，起止时间2021.01-2024.12。本项目工作概括如下：
随着电磁能装备应用领域的扩展以及军民融合建设的需要，极端条件下电磁能装备设计中的理论问题和实验研究显得尤为重要。考虑装备使用寿命的电磁综合性能与可靠性统一设计方法还基本处于空白。本项目针对极端工作条件 (温升速率不小于105 K/s，应变速率不小于104 /s，电流密度不小于108 A/m2)下电磁能装备的电磁综合性能与可靠性统一设计方法进行探索，提出创新解决方案，对极端条件下电磁能装备设计和突破我国智能工程设计软件的“卡脖子”问题具有重要理论意义和实用价值。
一、本项目开展了4个方面的研究
1、 极端条件下电磁能材料性能和装备参数的等效测量方法研究
电磁能装备的极端条件涉及宽范围、快变化的电磁热力叠加效应，从服役条件出发，探究热电磁热力同步加载方法及轨道与电枢材料的时空分布特性，构建特定工况的模拟与参数测量平台；研究电枢与轨道温度、摩擦系数、接触电阻、轨道电阻率、磨损系数等参数测量方法，建立轨道与电枢材料的时空分布特性，为全真建模提供精确数据支撑。
2、 极端条件下电磁能装备的相关参数数值模拟和预测方法研究
为实现电磁能装备在极高功率、极短时间和极大电流冲击条件下服役建模，需要将极端条件下装备材料变化与整体装备影响相结合。研究系统内部物理因素动态耦合作用机制，建立了电磁热力多场强耦合理论和模型；研究极端条件下多场强耦合求解算法，实现了电磁能装备电磁热力之间动态耦合解决方案，明确了电磁综合性能的时间响应模型。
3、 多物理场强耦合人工智能计算方法研究
为应对高速运行条件下电流密度场的计算挑战，提出了一种基于深度神经网络的预测方法，采用条件生成对抗网络(CGAN)模型。该模型以激励电流、电枢电导率、轨道结构参数和时间为输入，利用ResUnet-Trans网络作为特征生成器，能够有效预测复杂的电流密度场分布。通过迁移学习策略，将低电导率到高电导率的训练数据用于模型外推，显著提高了预测精度，实现了秒级电流密度场计算。
另外，提出了两种基于深度学习的电磁热力场预测方法。基于AttnGAN的生成对抗网络，结合注意力机制，对电磁轨道炮的电磁场云图进行预测，为电磁轨道发射器的性能分析和优化提供了支持；采用扩散模型分析电磁轨道发射器发射过程中的电磁热力场，重点研究枢轨接触面上的温升和烧蚀问题。该模型通过从随机噪声中生成电磁热力场场图，为提高系统性能和稳定性提供了理论依据。
4、装备寿命预测和可靠性设计方法研究
明确了装备电磁综合性能的关键参数，综合考虑电磁能装备拓扑结构、结构参数和电磁参数；考虑装备的机械结构屈服强度、允许温升、磁场强度、电磁推力等电磁参数和预期工作寿命等约束因素，确定电磁能装备各部件的尽限性能方差最小、失效概率最小、成本、体积、重量最小的设计方法。探究数值建模与分析、可靠性与鲁棒性优化设计的技术特征和模块间连接机制，将所建模型与性能故障判据相结合，同步进行综合性能与可靠性分析，建立将电磁能装备综合性能和可靠性统一考虑的设计理论。
二、项目取得了5方面的重要成果
1、构建了极端条件下电磁能推进装备平台，可进行电磁热力同步加载实验，并研制了多参数同步测量系统，对电枢运动、轨道振动、磁场分布等关键物理参数进行实时测量。
(a) 电磁能推进装置
(b) 多参数测量系统
图1 电磁轨道装置及多参数测量系统
2、针对电枢与轨道接触特性，提出基于分形理论和蒙特卡罗方法构建粗糙表面形貌的接触电阻建模方法，并对高速载流摩擦工况下的动态接触电阻和摩擦特性进行测量，结合实验数据与数值计算结果分析极端环境下电磁能装备的接触电阻与摩擦磨损特性的动态变化，解决了极端条件工况下的时空分布测量难题；建立了考虑热膨胀效应的磨损计算模型，将电枢尾翼磨损数值计算结果与实验数据进行了对比验证。为优化枢轨接触性能、延长轨道使用寿命及提升发射精度提供了重要的理论支撑。
(a) LCubor AST非接触式工业3D相机 (b) Leica DVM6 数码显微镜
图2 形貌测量装置
图3 法向加载下的接触电阻测量装置
3、针对高速发射条件下的数值解“伪振荡”问题，提出基于深度学习的电流密度场预测方法，有效解决了高速发射性能外推问题的同时，显著提高了计算精度与预测速度，实现了电磁场的秒级计算，为高速电磁轨道发射器的优化设计提供了新思路。并采用参数化建模技术，量化不同结构参数对接触压力和接触电阻的影响规律，为快速设计优化电枢结构提供了高效的分析工具。
4、建立了基于毕奥-沙伐定律的三维瞬态电磁场数值模型，厘清电磁轨道发射过程中的电磁热力多物理场耦合效应，并通过引入动态摩擦系数反演方法，结合电磁能装备实验测量结果，分析摩擦系数与动态接触电阻对电磁能装备电磁综合性能的影响。
(a) 电流密度分布 (b) 磁通密度分布
图4 动态摩擦系数(DFC)与摩擦系数为固定值0.24(FFC)，且电枢速度为370m/s时的电枢电流密度和磁场分布
(a) 电枢速度为370 m/s时的温度分布 (b) 电枢速度为1120 m/s时的温度分布
图5 速度为370 m/s及1120 m/s时的温度分布
5、提出了电磁能装备电磁综合特性与可靠性统一设计方法
从电磁能装备的故障原因出发，明确装备电磁综合性能的关键参数，综合考虑电磁能装备拓扑结构、结构参数和电磁参数；考虑装备的机械结构屈服强度、允许温升、磁场强度、电磁推力等电磁参数和预期工作寿命等约束因素，确定电磁能装备各部件的尽限性能方差最小、失效概率最小、成本、体积、重量最小的设计方法。探究数值建模与分析、可靠性与鲁棒性优化设计的技术特征和模块间连接机制，将所建模型与性能故障判据相结合，同步进行综合性能与可靠性分析，建立将电磁能装备综合性能和可靠性统一考虑的设计理论。
开发多目标优化算法，建立资源调度模型，将实现资源高效利用。确定电磁能装备的电磁综合性能衰退、寿命周期的分析方法。探究人工智能和统计模型的融合可靠性模型，实现考虑容差、设计参数不确定和性能衰退的不确定性优化，突破现有设计和研发模式，实现极端条件下电磁能装备电磁综合性能与可靠性统一设计方法。
本项目取得的研究成果，为电磁能装备全真模拟和电磁综合性能与可靠性统一设计做出了积极探索，并为电工装备数字孪生奠定了重要基础。
