Shape optimization of concave armature for electromagnetic launchers using finite element method and multi-objective genetic algorithm
Elektromanyetik fırlatıcıların içbükey armatür şeklinin çok amaçlı genetik algoritma ve sonlu elemanlar yöntemi ile optimizasyonu
- Tez No: 920588
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET CANSIZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Elektromanyetik fırlatıcı farklı boyutlardaki nesneleri fırlatmak için depolanmış elektrik enerjisini kullanan bir elektromekanik enerji dönüşüm cihazıdır. Bu teknoloji, yüksek hızlı bir mühimmatı fırlatmanın yanı sıra uçak, uydu, füze ve manyetik zırh fırlatma gibi çeşitli amaçlar için de kullanılabilir. Bir nesneyi fırlatmanın sayısız yolu vardır. Örneğin, ilk akla gelenler yay, sapan, mancınık veya barut tabanlı toplardır. Elastik malzemede depolanan potansiyel enerji, dönme kinetik enerjisi, yerçekimi potansiyel enerjisi veya kimyasal enerji, fırlatma için doğrusal kinetik enerjisi elde etmek için kullanılabilir. Fırlatma için nispeten yeni bir yöntem olarak elektrik enerjisi kullanılmaktır. Elektromanyetik fırlatıcıların geliştirilmesi için 180 yıl çok uzun bir süre gibi görünse de barut tabanlı silahların geliştirilmesi daha uzun zaman ve çaba gerektirmiştir. Elektromanyetik fırlatıcılar tüm dünyada, özellikle en yüksek teknolojik uzmanlığa sahip ülkelerde öne çıkmaktadır. Buna rağmen mekanik ve elektriksel teknik zorluklar tam olarak aşılamamıştır. Rayların ömrünün ve fırlatıcıların elektromanyetik kuvvetler altında dayanıklılığının artırılması, akıllı mühimmatın geliştirilmesi ve darbe güç kaynağının enerji ve güç yoğunluğunda iyileştirmeler yapılması gerekmektedir. Konsept, elektrik enerjisini dönüştürülebilir bir biçimde depolamak ve ardından hızla fırlatma paketine aktarma üzerine kuruludur. Darbe güç kaynağı (PPS), enerji depolama prensibine bağlı olarak kapasitif veya endüktif olabilir. Elektromanyetik fırlatma sırasında, zaman ölçeğinin çok kısa olması nedeniyle muazzam bir güç ortaya çıkar. Elektromanyetik fırlatma yolu, literatürde bilinen diğer adıyla ray silahı temel olarak konvansiyonel ray silahı, artırılmış kademeli ray silahı ve sarmal ray silahı olarak üçe ayrılır. Konvansiyonel ray silahı, iki ray ve rayları çevreleyen malzemeden oluşur. İki ray arasındaki bağlantı armatür ile sağlanır. Raylardan geçen yüksek akım, raylar arasında bir manyetik alan oluşturur. Lorentz kuvveti, manyetik alan altındaki akım nedeniyle armatüre etki eder. Raylar dikdörtgen, içbükey veya dışbükey şekillerde olabilir. Dışbükey raylar, akım dağılımları, ısı dağılımı, elektriksel temas yüzeyi, kullanım ömrü ve armatürü yataklayabilme özelliği ile öne çıkmaktadır. Armatür, ray geometrisine uygun olmalıdır. Yani dışbükey raylar sadece içbükey armatür ile kullanılabilir. Darbe güç kaynağı (PPS), önceden belirlenen senaryoya göre bir uyarma akımı üretir. Uyarma akımının ayarlanması, çeşitli fırlatma paketleri için mühimmatların çıkış hızı kontrolünü sağlar. Elektromanyetik fırlatıcının armatürü, fırlatma işlemi sırasında muazzam akım ve manyetik alan yoğunluklarına maruz kalır. Maruz kalma süresi kısa olmasına rağmen, ortaya çıkan sıcaklık malzemenin erime noktasına kadar ulaşabilir. Bir mühimmatın başarılı bir şekilde fırlatılması armatürün bütünlüğüne bağlı olduğundan, armatürün tasarımı önem arz etmektedir. Tam bir fırlatma paketi, armatür, mühimmat ve sabot kanatlarının kütlelerini içerir. Armatür ve sabot kütlesi, fırlatma paketi açısından parazitik kütlelerdir. Armatür kütlesinin azaltılması, daha ağır mühimmat yapmayı mümkün kıldığından, mühimmatın kinetik enerjisini artırır. Mühimmatın kinetik enerjisi, armatürün kütlesi ile orantılı olarak değişirken, çıkış hızının karesi ile orantılı olarak değişir. Verimlilik, mühimmat kinetik enerjisinin depolanan enerjiye oranı olarak tanımlanır. Armatür eyeri üzerinde akım yoğunluğu dağılımı detaylı olarak incelenmelidir. Eyer üzerindeki manyetik testere etkisi göz önüne alındığında, armatür üzerindeki akım yoğunluğu dağılımının homojenleştirilmesi, gerekli güvenlik seviyesinin elde edilmesine katkı sağlar. Eyer üzerindeki düzgünleştirilmiş akım dağılımı, manyetik testere etkisi riskini azaltır ve armatür eyer alanındaki lokal sıcak noktaları azaltır, bu da fırlatma sırasında armatür üzerinde çatlak oluşması riskini azaltır. Armatür optimizasyonu, minimum kütlenin elde edilmesi ve eyer üzerinde homojenleştirilmiş akım yoğunluğu dağılımı olmak üzere iki amaç ile yapılabilir. Tek amaçlı algoritmalar nitelikli bir armatür şekli bulabilse de çözüm yalnızca bir gereksinimi karşılayacak şekilde optimize edildiğinden yeterli değildir. Böyle karmaşık bir problem için çok amaçlı optimizasyon algoritması tercih edilir. Baskın olmayan sıralamalı genetik algoritma-II (NSGA-II), aynı anda minimum kütleye ve homojenleştirilmiş akım yoğunluğu dağılımına sahip nitelikli bir armatür şekli bulmak için sayısal bir ortamda kodlanmıştır. Algoritma, parametrelerin önceden tanımlanmış sınır koşullarına göre başlangıç popülasyonunu üretebilir. Sağlam ve güvenilirdir, sonlu elemanlar analizi (SEA) modelinden kaynaklı herhangi bir hata oluşması durumunda süreci durdurmadan bir sonraki bireye geçebilmektedir. Gerçek kodlanmış algoritma, literatürde sıklıkla olarak tanıtılan bir fonksiyon ile test edilmiştir. Sonuç, test fonksiyonunun gerçek çözümü ile oldukça tutarlıdır. Popülasyon büyüklüğü ve optimizasyon probleminin yineleme sayısı test fonksiyonundan elde edilen sonuca göre belirlenmiştir. Bu çalışma hem fırlatma verimliliği hem de güvenlik odaklı bir içbükey armatür tasarım süreci önermektedir. Armatür, verimliliğini ve güvenliğini aynı anda göz önünde bulundurarak optimize etmek için çok amaçlı optimizasyon algoritması gereklidir. İlk olarak parametrik armatür modeli oluşturulmuş ve dört parametre seçilmiştir. Bu parametreler değiştirilerek önemli geometri değişiklikleri elde edilebildiğinden, model için sadece dört parametre yeterlidir. İkinci olarak, 1B model paralel elektrik devreleri olarak simüle edilen 32 PPS modülünden oluşmaktadır. PPS ile ray silahı arasındaki deşarj kabloları da direnç ve endüktans olarak modele dahil edilmiştir. Ray silahı, degişken endüktans ve direncin bir birleşimi olarak modellenebilir. Ray silahı modeli simüle edilirken endüktans gradyanı, ray direnci ve hız-deri etkisi, zıt EMK dikkate alınır. 1B model kullanılarak, belirli fırlatıcı ve fırlatma paketi kütlesi için ortaya çıkan akım dalga biçimi elde edilebilir. Klasik mekanik denklemler yardımıyla mühimmatın çıkış süresi ve çıkış hızı doğrudan hesaplanabilmektedir. Ortaya çıkan akım dalga biçimi, toplu parametre bağlantı noktası kullanılarak üç boyutlu bir sonlu eleman analizi (3B SEA) modeline uygulanır. Ardından, elektromanyetik ve termal fizik oluşturulmuştur. 3B SEA modelinde zamanı ve hesaplama kaynağını verimli kullanmak için yarı simetrik olarak oluşturulmuştur. SEA aracı ile sayısal aracın birleştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Algoritma, muhtemel çözüm uzayının sınırlarına uygun olarak rastgele seçilmiş parametrelere (degişkenlere) sahip bireyleri tanımlar. İlk olarak, SEA programını başlatır ve popülasyonu tamamlayana kadar verilen parametrelerle SEA problemini çözdürür. İkinci olarak, SEA' dan alınan sonuçları okur ve saklar. Ardından, NSGA-II algoritması popülasyonu sıralar, genetik operatörleri uygular, yeni bir popülasyon oluşturur ve tüm süreçleri yineler. Algoritma, önceden tanımlanmış yineleme sayısına ulaşılana kadar çalışır. Tüm çözüm uzayının Pareto öncülleri saklanır ve bunlardan biri ileri analiz için seçilir. İleri analizler, kuvvet yoğunluğu dağılımı ile birlikte manyetik alan, akım yoğunluğu ve termal alan dağılımının çözümlerini sunmaktadır. Termal fizik sadece armatür sınırlarında çözülürken, elektromanyetik fizik hem raylar hem de armatür üzerinde çözülmektedir. Ayrıca armatür malzemesinin faz değişimi gösterilmiştir. Armatür malzemesinde yüksek seviyede faz değişimi olması durumunda armatür bütünlüğü bozulur. Optimizasyon sonucu, armatür kütlesi ve eyer üzerindeki akım yoğunluğu dağılımının aynı anda optimize edilebileceğini göstermiştir. Armatür kütlesindeki azalma, mühimmat kütlesine eklenerek kinetik enerjideki artış elde edilmiştir. Armatür üzerinde akım yoğunluğu yüksek oranda homojenleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
An electromagnetic launcher (EML) is an electromechanical energy conversion device that uses stored electrical energy to accelerate objects of different sizes. The technology could be utilized for various purposes, such as launching an aircraft, satellite, missile, and magnetic armor, besides launching a high-speed projectile. There are numerous ways of launching an object. For instance, bow, slingshot, catapult, or gunpowder-based artillery are the first to spring to mind. The potential energy stored in elastic material, rotational kinetic energy, gravitational potential energy, or chemical energy could be used to obtain translational kinetic energy for launching. A relatively new method for launching is exploiting electrical energy. Despite 180 years seems heaps of time for the development of Electromagnetic launchers (EMLs), gunpowder-based guns have taken a long time and exertion. EMLs are prominent worldwide, especially in countries with the highest technological expertise. Despite this, mechanical and electrical technical difficulties are only partially met. The lifetime of rails, the durability of launchers under electromagnetic forces, the development of smart ammunition, and the energy and power density of pulsed power supply are still in need of improvements. The concept stores electrical energy in a transformable form and then rapidly delivers it to the launch package. A pulsed power supply (PPS) could be capacitive or inductive, depending on the energy storage principle. During the electromagnetic launch, enormous power occurs due to the concise time scale of the process. Electromagnetic launchers, also known in the literature as railguns, are mainly divided into three conventional railguns, augmented railguns, and helical railguns. Conventional railgun consists of two rails and surrounding materials. The connection between two rails is maintained with the armature. High current passing through the rails results in a magnetic field between the rails. Lorentz force acts on the armature due to the current under the magnetic field. Rails could be rectangular, concave, or convex shapes. Convex rails become prominent due to their current distributions, heat distribution, electrical contact surface, lifetime, and the ability to bedding the armature. The armature has to be compatible with rail geometry. Namely, convex rails could be used only with the concave armature. PPS generates an excitation current according to the pre-determined scenario. Adjusting excitation current enables output velocity control of projectiles for various launch packages. The armature of EML is exposed to immense current and magnetic field densities during the launch operation. Although exposure time is short, the resulting temperature can reach the material's melting point. Since a successful projectile launch depends on armature completeness, the design of the armature is an essential issue. The complete launch package includes the mass of the armature, projectile, and sabot petals. The armature and sabot mass are parasitic masses in terms of a complete launch package. Reducing the armature mass increases the projectile's kinetic energy since it makes it possible to make a heavier projectile. The projectile's kinetic energy increases with the increased mass of the armature and increases with the square of increased output velocity proportionally. Efficiency is defined as the ratio of projectile kinetic energy to stored energy. On the saddle of the armature, the current density distribution has to be examined in detail. Considering the magnetic sawing effect on the saddle, homogenizing current density distribution on the armature is beneficial to achieve the required safety level. Smoothened current distribution on the saddle lowers the risk of the magnetic sawing effect. It decreases the local hot spot on the armature saddle area, reducing the risk of cracks on the armature during the launch operation. Optimization of the armature has two objectives: minimum mass and homogenized current density distribution on the saddle. Although single objective algorithms could find a qualified armature shape, the solution needs to be more competent as it is optimized to fulfill only one requirement. The multi-objective optimization algorithm is preferred for such a complex problem. Non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) is implemented in a numeric toolbox to find a qualified armature shape with minimal mass and smoothened current density distribution simultaneously. The algorithm is able to generate the initial population according to pre-defined boundary conditions of parameters. It is robust and reliable. In case of any error due to the FEA model, it is able to pass to the following individual without stopping the process. The real-coded algorithm is tested with a consistently promoted function in the literature. Population size and the number of iterations for the optimization problem are determined according to the test function's results. The result is highly consistent with the real solution of the test function. This study promises a concave armature design process focusing on launch efficiency and safety. The multi-objective optimization algorithm is required to optimize the armature considering its efficiency and safety simultaneously. Firstly, the parametric armature model is constructed, and four parameters are selected. Only four parameters are adequate for the model since considerable geometry changes are achieved by modifying these parameters. Secondly, the 1D model consists of 32 PPS modules simulated as electrical circuits in parallel. Discharge cables between PPS and railgun were also included in the model as resistance and inductance. Railgun could be modeled as a composition of variable inductance and resistance. Inductance gradient, rail resistance, velocity skin effect, and back-EMF are considered when the railgun model is simulated. Using the 1D mathematical model, the current waveform was obtained for the specific launcher and launch package mass. With the help of classic mechanical equations, the projectile's exit time and output velocity could be calculated straightforwardly. The resulting current waveform is applied to a three-dimensional finite element analysis (3D FEA) model using lumped elements in the tool. Then, electromagnetic and thermal physics are established using commercial FEA. The 3D FEA model is half symmetric to limit the time and computing source. The coupling of the FEA tool and the numeric tool is realized. The algorithm defines an individual with randomly selected parameters (variables) in the boundary of the search space. First, it starts the FEA tool and solves the armature with given parameters until it rounds out the population. Secondly, it reads the results (fitness) from the FEA and stores them. Then, the NSGA-II algorithm sorts the population, applies genetic operators, creates a new population, and iterates all processes. The algorithm works until a pre-defined iteration number is reached. Pareto-fronts of the entire solution space are presented, and the one is selected for further analysis. The further analysis presents solutions of the magnetic field, current density, and thermal field distribution together with force density distribution. While thermal physic is only solved on the armature boundaries, electromagnetic physic is solved both on the rails and armature. Moreover, the phase change of armature material is demonstrated. In the case of high-level phase change occurrence on the armature material, the integrity of the armature is lost. The optimization result showed that armature mass and current density distribution on the saddle could be optimized simultaneously. The decrease in the armature mass is added to the projectile mass, resulting in an increase in the kinetic energy. The current density on the armature is highly homogenized.
Benzer Tezler
- Mikrodalga soğurucu tasarımı
Microwave absorber design
İBRAHİM ÇATALKAYA
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDEF KENT PINAR
- Bantlı konveyörlerin bilgisayarla tasarımı
Başlık çevirisi yok
NESRİN KADİROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ
- Tahıl ve yemeklik tane baklagil harman makinası tasarımı ve işletme parametrelerinin saptanması
Başlık çevirisi yok
MUHARREM ZEYTİNOĞLU
- Portföy yönetiminde dinamik varlık yönetim stratejileri
Dynamic asset allocation strategies in portfolio management
MUSTAFA DUMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
BankacılıkMarmara ÜniversitesiSermaye Piyasası ve Borsa Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZLEM KOÇ
- Kesme problemine sezgisel bir yaklaşım
A heuristic approach to the cutting stock problem
FIRAT BAYIR
Doktora
Türkçe
2013
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN ÖZDEMİR