鄒鳳娟，胡小秋，梁宏業(yè)，劉志濤

(1.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094; 2.遼寧慶陽特種化工有限公司，遼寧 遼陽 111002; 3.南京理工大學化工學院,江蘇 南京 210094)

引 言

目前，發(fā)射藥的生產方式主要是擠出成型法[1]，在擠壓過程中存在很多影響藥成品質量的因素，包括擠壓過程的工藝參數和模具的結構參數等。發(fā)射藥在擠出過程中，模具受到擠壓機的機頭壓力和藥流阻力作用，二者作用下容易使模針發(fā)生變形甚至斷裂，從而導致發(fā)射藥成品出現(xiàn)“松質”、“內聚”等問題，嚴重影響了發(fā)射藥的燃燒效率[2]。目前針對發(fā)射藥模具結構參數的研究較多，陳富華等[3]對模具收縮角大小及成型段長度進行了研究，有效地延長了模具的使用壽命。擠出成型的工藝參數包括溫度、壓力和擠出速度等。擠壓過程中的溫度主要取決于模具內壁溫度和發(fā)射藥物料的預熱溫度，它影響著發(fā)射藥物料的流動及變形。溫度升高時，發(fā)射藥物料的表觀剪切黏度降低，藥料流動性增強[4]。

從400MN大型模鍛壓力機的溫度場分析[5]，到汽車消聲器的壓力場及溫度場分析[6]，計算流體力學因其高效率、低成本等優(yōu)點成為一種重要的分析手段。本研究對發(fā)射藥擠壓成型過程中流場的溫度參數進行討論分析，并對模具與發(fā)射藥物料流場間的共軛傳熱關系進行研究，由于流體求解器同時具備流體與固體傳熱計算能力，故直接采用流體求解器Fluent軟件對發(fā)射藥擠壓過程進行求解。

1 數值模擬

1.1 發(fā)射藥模具3D模型的建立

選取的是19孔模具，內弧厚為2.5mm，外弧厚與內弧厚之比為1，即外弧厚也為2.5mm。針排布情況為：中心1根針，第二層6根針，最外層12根針。用Proe軟件建立3D模型如圖1所示。

1.2 Fluent共軛傳熱分析

1.2.1 流變模型的選取

發(fā)射藥物料流動時，隨著剪切速率的增大，分子相互作用力會減弱，剪切黏度下降，發(fā)射藥流體表現(xiàn)出“剪切變稀”的行為，是典型的非牛頓假塑性流體。本研究選用Bird-Carreau模型來描述發(fā)射藥的流變學特征，對發(fā)射藥的擠出過程進行模擬。當聚合物非等溫流動時，考慮溫度對流動過程的影響，故選用Arrhenius模型來描述黏度與溫度的變化關系為：

(1)

發(fā)射藥的反應速率與溫度的關系遵循阿倫尼烏斯關系式，基于剪切速率的黏度關系遵循Bird-Carreau關系式，故在ANSYS中通常表示為如下公式：

(2)

式中：α為活化能與熱力學常數之比；Tα為參考溫度；η∞為無窮大剪切黏度；η0為零剪切黏度；λ為時間常數；n為非牛頓指數。在本研究中，溫度單位一律按照攝氏度算，故T0=-273.15℃。此時式中未知參數還有α、Tα、η∞、η0、λ、n，用Matlab擬合[7-9]得出各參數如表1所示。

表1 Bird-Carreau模型材料參數Table 1 The material parameters of Bird-Carreau model

1.2.2 模型邊界條件及材料參數的設定

流體與固體傳熱耦合的過程主要包括：流體流動換熱、流體和固體間的熱量傳遞以及固體間的熱傳導3個主要方面。溫度在發(fā)射藥擠壓流場中分布主要由模具自身導熱、模具與發(fā)射藥流體間的耦合換熱及發(fā)射藥自身預熱等決定。

本研究中某雙基發(fā)射藥的成型過程，高分子材料在80℃附近有狀態(tài)的改變，故選取加溫至80～95℃的發(fā)射藥物料，并將模具外表面設為加載溫度面，初定加熱溫度范圍同樣為80～95℃，以5℃為一個梯度，進行數值模擬實驗。

流體模型材料的密度ρ為1650kg/m3，比熱容c為1000J/(kg·K)，熱傳導率k為0.0454W/(m·K)。擠壓流體為不可壓縮的黏性層流流體，入口速度為0.09mm/s，出口壓強為0(相對大氣壓)。

模具材料選用Cr12MoV，密度ρ為7850kg/m3，比熱容c為460J/(kg·K)，熱傳導率k為44W/(m·K)。

2 結果與討論

以模具中心線上入口向下10mm的一點作為坐標原點，建立三維坐標系，藥料流動方向為z軸正向。由于模具外表面溫度與發(fā)射藥物料擠出溫度一致，故整個流場域的溫度變化不大。

2.1 發(fā)射藥流場壓力分析

為了考察不同加熱溫度對發(fā)射藥物料流場壓力分布的影響，利用Tecplot后處理軟件，對不同加熱溫度情況下的流場壓力分布進行分析。圖2為發(fā)射藥物料整體的流場壓力分布圖，圖3為YZ截面發(fā)射藥物料的壓力分布云圖和不同溫度下YZ截面提取y=2mm線上的壓力分布曲線。

從圖2和圖3可以看出，發(fā)射藥物料流場壓力從入口到出口漸漸減小，入口處中間的壓力大于邊緣壓力，是整個流場壓力最大的區(qū)域。這是由于發(fā)射藥物料在向下擠壓時，由于下方針架的阻擋，使得該部位受壓嚴重，故入口處的中間部位壓力最大。從縱截面來看，不同加熱溫度下入口處的壓力變化最為顯著，沿著發(fā)射藥物料的流動方向，壓力變化開始縮小，出口處壓力都趨于0。

為了更細致地研究流場不同成型區(qū)域的壓力分布情況，選取了幾組XY截面壓力分布如圖4所示。其中圖4 (a)、(c)、(e)、(g)分別對應發(fā)射藥物料加溫到80℃時的流場入口截面、收縮段截面、收縮段與成型段分界面、成型段截面的溫度分布云圖；圖4 (b)、(d)、(f)、(h)則分別對應不同發(fā)射藥物料加熱溫度時的入口截面、收縮段截面、收縮段與成型段交界面、成型段截面的中心線處的溫度分布曲線。

從圖4可以看出，隨著發(fā)射藥物料加熱溫度的升高，流場的壓力隨之下降。從橫向分布來看，入口處的壓降隨升溫變化較為明顯，邊緣處降幅最大，平均值達到了8.36%左右；中間區(qū)域的降幅僅次于邊緣，平均值達到了6.8%左右。從壓縮段向下，同一溫度下截面的壓力變化逐漸減小，從13%降到2%左右，成型壓力變化保證在3%以下，這樣有利于發(fā)射藥物料的受壓均勻，從而保證各區(qū)域疏密程度大致相同。

2.2 模針針距變化分析

發(fā)射藥物料在擠壓流動時，流場在受模具約束的同時對模具也產生反作用力，導致模具產生一系列形變，主要體現(xiàn)在徑向的模針針距的變化上。圖5為發(fā)射藥物料加溫到80℃時針架受擠壓產生的針距徑向變化圖。

從圖5中可以看出，針距總體變化較小，最大變化發(fā)生在最外層針處。縱向來看，所有針的最大針距變化發(fā)生在出口處。為了探究溫度對模針針距的影響，采集了各模具加熱溫度下的模針最大針距變化數值，溫度為80、85、90、95℃時模針最大針距變形分別為0.9040、0.8526、0.8075、0.7694mm。從而得出，模針的最大針距變化隨著溫度升高而降低，其變化約呈線性遞減趨勢，關系式為lmax=-0.009×t+1.641，模具加溫到95℃時系列模針的針距變化最小。這是由于內外壓差隨著溫度升高而降低，從而導致模針針距變化逐漸減小。

3 試驗對比

3.1 壓力分析

根據數值模擬計算溫度要求，分別做了4組溫度下的發(fā)射藥擠出成型試驗。將藥料在保溫裝置里分別加溫到80、85、90和95℃，在擠壓過程中對包含模具在內的整個藥缸進行恒溫試驗。通過沖頭位置處的壓力傳感器記錄擠壓過程的壓力變化，得到入口處藥料壓力變化曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著溫度的升高，入口處壓力隨之下降，不同溫度的壓力變化趨勢大致相似。溫度差值為5℃時，發(fā)射藥物料的流場壓力平均變化率約為13.5%。取各自溫度的壓力平均值，與數值模擬的發(fā)射藥物料流場入口壓力值作比較，如圖7所示。

由圖7可以看出，壓力隨溫度變化近似成線性關系，且發(fā)射藥物料的流場入口壓力隨溫度增加呈遞減的線性變化。模擬計算與試驗數據總體的變化趨勢是相同的，但考慮到直接加溫對象不同(模擬計算時模具只對外表面加溫，試驗時是對整體模具保溫進行加工的)、試驗誤差(模擬計算時設定發(fā)射藥物料的入口溫度，試驗時物料從保溫箱轉移到模具會引起一些溫差)、模具熱量從外表面?zhèn)鬟f到內表面引起的溫度差異等原因，模擬計算結果與試驗結果有一定差異，不同溫度下模擬計算值與試驗值的平均變化率約為36%。

3.2 弧厚偏差分析

由于模針在擠壓試驗時受力而向中心聚攏，從而導致發(fā)射藥成品的藥孔向內偏，即外弧厚變大，內弧厚變小。其外弧厚偏距變化示意圖如圖8所示。

通過使用Image-Pro軟件，對發(fā)射藥成品的外弧厚偏距進行測量分析，記錄下不同藥溫時成品的偏距差異，外弧厚偏距統(tǒng)計如表2所示。

表2 外弧厚偏距統(tǒng)計表Table 2 Statistics of offset distance of propellants′ outer web

注：2e1、2e2為圖8所示位置的弧厚；Δ2e1、Δ2e2為圖8所示位置的弧厚偏差。

綜合圖8的藥孔分布圖，再結合表2中的數據可以看出，由于水平方向上分布兩組模針，且內層模針也有內聚行為，導致兩組外弧厚偏距不同。隨著溫度的升高，偏距逐漸減小，這與模擬計算結果一致。探究不同溫度下的平均偏距，發(fā)現(xiàn)其隨溫度呈線性遞減關系，關系式為Δei=-0.007×t+1.53，故在試驗溫度范圍內，95℃時擠壓藥成品的偏移量最小。

4 結 論

(1)根據模擬計算結果得出：發(fā)射藥流場壓力從入口到出口逐漸減小，出口截面壓力變化范圍最?。辉诩訙刂?0～95℃時，隨著發(fā)射藥溫度的升高，流場總體壓力隨之下降，同時模針的最大針距變化量減小。

(2)試驗數據證實了模擬計算結果的正確性，得出擠壓壓力隨溫度升高而減小，擠壓藥成品的外弧厚偏距也隨溫度升高而逐漸減小，但偏距較大。溶劑法的舊模具已經不能滿足無溶劑法制備工藝需求，需要對模具進行優(yōu)化設計以期達到成品要求。

(3)試驗和模擬計算的結果揭示了溫度對發(fā)射藥物料流場的壓力及發(fā)射藥成品外弧厚偏距的影響，為發(fā)射藥模具進一步優(yōu)化設計及成型溫度的選取提供了依據。