呂勝濤,季丹丹,廖 昕,王澤山

(南京理工大學(xué) 火藥裝藥技術(shù)研究所,江蘇 南京 210094)

基于藥料膨脹和流動均勻性的單孔藥模具設(shè)計

呂勝濤,季丹丹,廖 昕,王澤山

(南京理工大學(xué) 火藥裝藥技術(shù)研究所,江蘇 南京 210094)

為分析模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)射藥成型尺寸及出口速度均勻性的影響規(guī)律,基于正交優(yōu)化方法,采用POLYFLOW軟件對單孔硝基胍發(fā)射藥的擠出成型過程進(jìn)行了模擬仿真。分析了入口線速度恒定條件下模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)射藥成型尺寸及出口速度均勻性影響程度的主次關(guān)系,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了單孔發(fā)射藥擠出模具結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示:對藥料成型膨脹影響最大的因素為模具收縮角,其次為成型段長度,再次為壓縮段長度;對出口速度分布均勻性影響最大的因素為模具收縮角,其次為壓縮段長度,再次為成型段長度?；谧钚∨蛎浡屎妥钚〕隹谒俣葮O差對模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化后的藥料出口速度均勻性得到提高。

發(fā)射藥;模具結(jié)構(gòu);正交設(shè)計;數(shù)值模擬

現(xiàn)階段發(fā)射藥的制備通常采用溶劑法進(jìn)行,塑化之后的藥料在壓伸機(jī)中很高的壓力作用下通過模具擠出,此時藥料進(jìn)一步塑化,均勻性得到提高。藥料被擠出過程中,硝化纖維素大分子沿塑性流動方向伸展取向排列,縮小了大分子間的距離,增大了次價鍵力,提高了藥條軸向的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)藥條離開模具后,隨著外力的取消,已經(jīng)定向排列的大分子會產(chǎn)生“松弛”現(xiàn)象,即發(fā)射藥行業(yè)所稱的“擠出脹大”現(xiàn)象。發(fā)射藥通過模具后的尺寸變化導(dǎo)致發(fā)射藥實際應(yīng)用與設(shè)計參數(shù)的偏差,影響了其燃燒性能。

發(fā)射藥作為火炮等身管武器的能量來源,其性能引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的高度重視。Jeenu R[1]提出了一種發(fā)射藥超聲波測試技術(shù),大大提高了發(fā)射藥成品的測試精度。Reshmi S[2]深入分析了某配方發(fā)射藥的燃燒機(jī)理及規(guī)律,階段性地研究了發(fā)射藥燃燒過程的能量交換。王燕[3]對不同初始堆積發(fā)射藥床進(jìn)行了擠壓破碎實驗,測得了發(fā)射藥床底部的擠壓應(yīng)力。焦旭英[4]設(shè)計了底部結(jié)構(gòu)和傳火管結(jié)構(gòu)2種點傳火結(jié)構(gòu)方案,利用30 mm高壓模擬火炮,研究顆粒模壓發(fā)射藥裝藥的點傳火性能。張遠(yuǎn)波[5]通過改變配方中硝化棉(NC)的種類、增塑劑ZSJ-X的含量、FOX-7的含量以及RDX和FOX-7的粒度,制備了4種NC基高能低敏感發(fā)射藥,采用電子萬能材料試驗機(jī)測試了其低溫抗沖擊強(qiáng)度。王鋒[6]采用半密閉爆發(fā)器試驗研究了多孔桿狀發(fā)射藥的解體燃燒過程,通過密閉爆發(fā)器試驗和高壓30 mm模擬火炮試驗對比了多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀藥的靜態(tài)燃燒性能和膛內(nèi)燃燒性能。張丹丹[7]采用POLYFLOW軟件模擬了發(fā)射藥藥料在七孔成型模具中的擠出過程,分析了溶劑比、擠出溫度、體積流量對模具內(nèi)的壓力分布、模具出口截面處的速度分布及擠出發(fā)射藥尺寸的影響,得到制備硝基胍七孔發(fā)射藥的最佳成型工藝條件。肖正剛[8-9]為研究壓實裝藥在變?nèi)萸闆r下的動態(tài)燃燒穩(wěn)定性、安全性能及不同表面處理方法對動態(tài)燃燒漸增性能的影響,將太根小粒藥表面進(jìn)行解體預(yù)處理后,采用乙醇/丙酮高溫?zé)嵴羝浕▽⑵鋲簩嵆啥逊e密度為1.35 g/cm3的藥柱,再進(jìn)行表面處理,得到待測的壓實藥柱樣品。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者在發(fā)射藥的燃燒性能、力學(xué)性能研究方面做了大量工作,取得了豐富的研究成果。然而對發(fā)射藥擠出成型的分析,國內(nèi)外鮮有相關(guān)報道。本文擬基于正交優(yōu)化方法,確定單孔硝基胍發(fā)射藥擠出模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量,采用POLYFLOW對單孔發(fā)射藥擠出過程進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步分析影響其成型尺寸及藥料出口速度分布均勻性的主次要因素,并以最小截面膨脹率和最小速度極差為優(yōu)化目標(biāo),對發(fā)射藥擠出模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究方法及結(jié)果可為發(fā)射藥的設(shè)計、生產(chǎn)提供參考。

1 計算模型

1.1 模具流道

發(fā)射藥擠出流道由料缸、壓縮段及成型段組成,為分析藥料的膨脹行為,將成型段延長等距離作為自由段。由于流道整體是軸對稱結(jié)構(gòu),為提高計算效率,本文取1/4模型進(jìn)行分析。

圖1 流道組成

用于本文分析的模具流道參數(shù)包括收縮角α(即壓縮段錐角),壓縮段長度Lc,成型段長度Lm,自由段與成型段等長。取成型段內(nèi)徑為8.4 mm,模針直徑d=2.95 mm。

1.2 控制方程

流體流動遵循質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律。對于不可壓縮的發(fā)射藥藥料,守恒定律可通過如下控制方程進(jìn)行描述。

質(zhì)量守恒方程:

式中:u,v,w分別是速度矢量v在x,y,z方向上的分量。

動量守恒方程采用考慮粘性項積分形式的三維雷諾平均Navier-Stokes方程:

式中:

式中:H,v,E,p,τ,q和ρ分別為源項、速度、單位質(zhì)量的總能、流體壓力、黏性應(yīng)力張量、熱流通量和密度;i,j,k為單位向量。

2 發(fā)射藥物性參數(shù)

2.1 計算模型

本文采用的仿真模型為Bird-Carreau模型,此模型描述的發(fā)射藥剪切黏度與剪切速率的關(guān)系表達(dá)式為

2.2 基本假設(shè)

仿真計算時作如下假設(shè)[10]:

①藥料是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流;

②不考慮擠出過程中的熱傳遞;

③不計藥料重力和慣性力的影響。

2.3 藥料物性參數(shù)

圖2 25 ℃藥料的流動曲線

基于Bird-Carreau模型,對測試結(jié)果進(jìn)行擬合,得到溶劑比0.24時25℃加工溫度下的藥料流變參數(shù),見表1。

表1 溶劑比0.24時藥料流變參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文所取擠出模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:收縮角α、壓縮段長度Lc及成型段長度Lm,3個因素各取4個水平,如表2所示。目標(biāo)參數(shù)取藥料橫截面積膨脹率δ(如圖3所示,藥料在自由段發(fā)生膨脹)和成型段出口端速度極差Δ(如圖4所示速度分布)。設(shè)計L16(43)正交表[12],對不同因素組合的流道模型進(jìn)行模擬計算,分析結(jié)果列于表3,表3中,δs,Δs中s為各因素的水平數(shù);Rδ,RΔ分別為δ,Δ的極差。

表2 正交計算結(jié)果

圖3 自由段藥料的膨脹行為

圖4 成型段出口速度分布

表3 正交結(jié)果分析

由表3藥料膨脹率極差行可見,對單孔發(fā)射藥成型膨脹影響最大的模具結(jié)構(gòu)因素為模具收縮角,其次為成型段長度,壓縮段長度的影響最小,但僅比成型段影響小11%左右。由速度極差行可見,對單孔發(fā)射藥出口速度分布均勻性影響最大的模具結(jié)構(gòu)因素為模具收縮角,其次為壓縮段長度,成型段長度的影響最小。收縮角影響藥料膨脹最嚴(yán)重的原因在于,在藥料入口線速度恒定的前提下,隨著角度的增大,藥料入口面積增大,單位時間擠入的藥料增加,藥料在成型段所受壓力及流動速度隨之增大,藥料分子間距離更小,次價鍵力更大,在藥料離開模具后,藥料分子隨之發(fā)生更大的“松弛”現(xiàn)象,導(dǎo)致藥料實際出料面積增大,即本文所稱的膨脹率的增大。影響藥料出口速度均勻性最重要的因素也是收縮角,原因在于,收縮角的增大導(dǎo)致藥料單位時間的體積流量增大,進(jìn)而引起藥料出口的平均速度增大,而由于黏滯效應(yīng),流道壁面上的藥料速度很低,導(dǎo)致出口速度的分布均勻性變差,速度極差增大,藥料的成型質(zhì)量降低。

參考表3,對藥料膨脹率和出口速度均勻性影響最大的收縮角,膨脹率極差約為最小膨脹率的15%左右,而速度極差超過相應(yīng)最小值的400%?？梢娔＞呓Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)重點考慮藥料出口速度的均勻性變化,故本文以此目標(biāo)作為遴選模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。即收縮角取水平1(10°),壓縮段長度取水平1(8mm),成型段長度取水平4(45mm)。對此結(jié)構(gòu)組合流道進(jìn)行建模仿真,獲取其藥料膨脹率及出口速度極差如表4所示。對原有單孔藥擠出模具進(jìn)行模擬計算,由對比結(jié)果可見,優(yōu)化后的單孔發(fā)射藥擠出模具制備的藥料膨脹率減小16.22%,出口速度均勻性提高91.46%,優(yōu)化效果顯著。

表4 最優(yōu)結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

3.2 流道壓力

圖5所示為流道各截面壓力分布圖。由圖5可見,盡管不同截面上壓力的等壓云圖各不相同,但壓力的差值很小,相對誤差不超過1%,可認(rèn)為流道各截面上壓力分布均勻。壓力的均勻分布是藥料成型質(zhì)量的關(guān)鍵條件,表2所設(shè)計模型滿足壓力要求,故未將流道截面壓力分布列為正交分析的目標(biāo)函數(shù)。

圖5 流道截面壓力分布

4 單孔藥擠出試驗

利用油壓機(jī)擠出單孔發(fā)射藥。擠出試驗時控制油壓機(jī)沖頭速度0.1mm/s恒定,對硝基胍發(fā)射藥進(jìn)行擠出成型。將擠出成型的發(fā)射藥密封保存,通過三維視頻顯微鏡測量其弧厚,得到模針變形量,如圖6所示。

圖6 單孔藥成型尺寸測量

對試驗所采用的模具(入口直徑34.96mm,出口直徑8.24mm,壓縮段長度10.12mm,成型段長度35.85mm)進(jìn)行三維建模,對藥料流動進(jìn)行數(shù)值計算分析,獲得單孔硝基胍發(fā)射藥弧厚的模擬值為2.33mm,與實際制備單孔發(fā)射藥弧厚誤差僅為5.67%,表明本文所用計算方法是較為準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

針對發(fā)射藥制備過程中發(fā)生膨脹變形的現(xiàn)象,本文采用模擬計算的方法對單孔硝基胍發(fā)射藥的擠出成型過程進(jìn)行計算,基于正交設(shè)計方法分析了模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)射藥成型尺寸及出口速度均勻性的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

①對單孔發(fā)射藥成型膨脹影響最大的模具結(jié)構(gòu)因素為模具收縮角,其次為成型段長度,壓縮段長度的影響最小,但僅比成型段影響小11%左右;

②對單孔發(fā)射藥出口速度分布均勻性影響最大的模具結(jié)構(gòu)因素為模具收縮角,其次為壓縮段長度,成型段長度的影響最小;

③與藥料成型尺寸相比,模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對出口速度分布的均勻性影響更為嚴(yán)重;

④對模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的藥料出口速度均勻性得到提高。

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Design on Die of One-hole Propellant Based on Its Expansion and Flow Uniformity

LV Sheng-tao,JI Dan-dan,LIAO Xin,WANG Ze-shan

(Charging Technology Institute,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

In order to analyze the effects of die structure parameters on the propellant molding size and the uniformity of velocity,the extrusion process of single-hole propellant was simulated by POLYFLOW based on orthogonal optimization method.By setting the inlet velocity as constant,the primary and secondary factors affected by die structure parameters were distinguished.On this basis,the die structure of one-hole propellant was optimized.The result shows that the mold shrinkage angle is the biggest effect factor on the expansion rate,secondly the length of forming section,thirdly the length of compression section.The mold shrinkage angle is the biggest effect factor on the uniformity of velocity,secondly the length of compression section,thirdly the length of forming section.Based on the minimum of expansion rate and velocity range,the die structure parameters were optimized.The optimized uniformity of velocity improves.

propellant;die structure;orthogonal test;numerical simulation

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)項目(51506093)

呂勝濤(1985- ),男,博士后,研究方向為含能材料配方設(shè)計及工藝研究。E-mail:st_lv1985@163.com

TJ55

A

1004-499X(2017)01-0057-05