七孔變燃速發射藥擠出脹大的模擬

柴 俊，馬忠亮

(中北大學化工與環境工程學院，太原 030052)

多孔發射藥除了有從外表面向內減面燃燒的過程之外，同時還有從內孔表面逐層向外增面燃燒的過程，這樣使得多孔發射藥表現出先增面燃燒而后減面燃燒的特性。變燃速發射藥是一種采用物理復合的方式制備而成的具有高燃燒漸增性的發射藥，內層為高能量層，外層為低能量層。其能量釋放規律具有可調節性，適應更廣泛的武器需求。七孔變燃速發射藥有效地結合了多孔火藥和變燃速發射藥的特性，燃燒時燃速會發生突躍性變化，使其兼具高能量與高漸增性的特性［1-3］。馬忠亮等的研究表明藥型尺寸對變燃速發射藥的燃燒漸增性能有著重要的影響［4］。研究七孔變燃速發射藥擠出過程中尺寸的變化對指導生產七孔變燃速發射藥有著重要的意義。劉林林等對不同操作條件下藥料流動情況進行了三維數值模擬［5］。馬忠亮等通過不同操條件下擠出物共擠段流動情況的模擬，研究了連續化生產工藝中變燃速發射藥尺寸波動的影響因素［6］。程山等對標準七孔發射藥以及不同內外層火藥力和不同內外層燃速比的七孔變燃速發射藥的內彈道性能進行了數值計算［7］。但是還未見七孔變燃速發射藥擠出過程中口模流道內的流動情況進行研究的報道。研究中應用POLYFLOW 軟件模擬了七孔變燃速發射藥在口模中的三維等溫共擠出過程，討論了壁面滑移系數對七孔變燃速發射藥共擠界面變化、擠出脹大的影響。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

圖1 為七孔變燃速發射藥共擠出流道的二維幾何模型，共擠出流道分為進料區、共擠區和擠出脹大區三段。七孔變燃速發射藥口模中心孔和邊孔直徑R1=0.2 mm，內層厚度H內=2.2 mm，外層厚度H外=0.1 mm，共擠區L，擠出脹大區取5 mm。在變燃速發射藥間斷式成型用機頭的基礎上進行建模。由于流道是軸對稱錐形結構，因此在對該模具進行數值模擬時，將流道模型進行一定的簡化，同時將流道模型簡化成1/4 進行計算。

圖1 共擠流道模型

1.2 材料特性

外層物料采用含35%乙基纖維素(EC)的單基發射藥，內層物料為含有20%細黑索金(RDX)的單基發射藥，采用MLW-400 型防爆流變儀對內外層物料進行流變特性測試。用Bird-carreau［6］模型描述變燃速發射藥內外層物料的流變學特征，即聚合物的黏度與剪切速率有如下關系

式中:η0為零剪切黏度;λ 為時間常數;n 為非牛頓指數。

利用POLYFLOW 軟件的polymat 模塊選擇Bird-carreau law 模型對流變數據擬合，擬合結果見表1 所示。

表1 變燃速發射藥內層、外層的材料參數

1.3 條件設置及算法

本研究主要探討在入口流量比一定下，口模長徑比和壁面滑移系數對變燃速發射藥共擠時的界面半徑和擠出脹大的影響。在研究壁面滑移因素時，滑移模型采用廣義Navier’s 模型［7］

式中:τs為與模具壁面接觸的流體表面的切向應力;vs為與模具壁面接觸的流體表面的切向速度; fk為滑移系數。分別選擇滑移系數fk=108; fk=109; fk=1010; fk=1011; fk=1012為研究對象。

求解過程中采用Evolution 方法解決模擬過程中的非線性問題，采用二次等參元法求解速度場，線性等參元法求解壓力場，并用Picard 迭代方法進行迭代。

定義離模膨脹率

式中:B 為脹大比;D 為擠出產品尺寸。

2 結果與討論

2.1 壁面滑移動系數對界面的影響

從圖2 中可以看出，在共擠區，隨著滑移系數fk 越小，模具越光滑，壁面摩擦力越小，剪切作用越小，流體內部速度分布越均勻，導致界面向內層偏移量越小。不同摩擦系數的出口速率分布如圖3 所示，當fk=108時，流體與模具接近全滑移，界面半徑變化最小，減小了0.02 mm;當fk=1012時，流體與模具接近于無滑移，界面半徑變化最大，減小了0.27 mm。在模具出口處，隨著滑移系數fk越大，流體內部速度分布越不均勻，在垂直于流動方向上的速度梯度增大，導致流體離開口模后在擠出脹大區的脹大率增大，界面半徑隨著流體的脹大而變大。當fk=108時在擠出脹大區，由于幾乎無擠出脹大所以界面半徑幾乎沒有發生變化;當fk=1012時，界面隨著擠出脹大率的增加發生嚴重的偏移，界面半徑增大約0.32 mm。

圖2 壁面滑移系數對界面的影響

圖3 不同摩擦系數的出口速率分布

2.2 壁面滑移系數對擠出脹大的影響

從圖4 中可以看出，B內、B外和B總都隨著滑移系數的增大而增大，這是因為隨著滑移系數的增大，模具表面越粗糙，壁面摩擦力增大，剪切作用增大，流體內部速度分布越來越不均勻，在垂直于流動方向上的速度梯度越大，流體離開口模后的脹大率越大。

圖4 滑移系數對離模脹大率的影響

3 結束語

改善七孔變燃速發射藥擠出成型中模具流道的表面光潔度，使得壁面滑移系數變小，可使流道內流體的速度分布趨于均勻，減小七孔變燃速發射藥交界面半徑的變化，改善發射藥制備中擠出脹大情況，提高變燃速發射藥的擠出質量。

［1］肖忠良，吳曉青，馬忠亮，等. 一種變燃速固體發射藥［P］.中國專利:CN.01101011629，2001-05-23.

［2］蕭忠良，賀增弟，劉幼平，等.變燃速發射藥的原理與實現方法［J］.火炸藥學報，2005，28(1):25-27.

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［4］馬忠亮，李志良，徐方亮，等.藥型尺寸對變燃速發射藥燃燒漸增性的影響［J］. 含能材料，2007，15(2):128-130.

［5］劉林林，馬忠亮，高可政，等.變燃速發射藥擠出過程中藥料流動計算研究［J］. 含能材料，2010，18(5):583-586.

［6］馬忠亮，朱林，高可政，等.影響變燃速發射藥尺寸波動因素數值計算［J］.含能材料，2011，19(4):445-449.

［7］程山，馬忠亮，代淑蘭，等.七孔變燃速發射藥內彈道性能的數值計算［J］.火炸藥學報，2014，37(2):78-81.