基于藥料膨脹和流動均勻性的單孔藥模具設計

呂勝濤,季丹丹,廖 昕,王澤山

(南京理工大學 火藥裝藥技術研究所,江蘇 南京 210094)

基于藥料膨脹和流動均勻性的單孔藥模具設計

呂勝濤,季丹丹,廖 昕,王澤山

(南京理工大學 火藥裝藥技術研究所,江蘇 南京 210094)

為分析模具結構參數對發射藥成型尺寸及出口速度均勻性的影響規律,基于正交優化方法,采用POLYFLOW軟件對單孔硝基胍發射藥的擠出成型過程進行了模擬仿真。分析了入口線速度恒定條件下模具結構參數對發射藥成型尺寸及出口速度均勻性影響程度的主次關系,在此基礎上優化了單孔發射藥擠出模具結構。研究結果顯示: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。基于最小膨脹率和最小出口速度極差對模具結構參數進行了優化,結果表明,優化后的藥料出口速度均勻性得到提高。

發射藥;模具結構;正交設計;數值模擬

現階段發射藥的制備通常采用溶劑法進行,塑化之后的藥料在壓伸機中很高的壓力作用下通過模具擠出,此時藥料進一步塑化,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械強度。當藥條離開模具后,隨著外力的取消,已經定向排列的大分子會產生“松弛”現象,即發射藥行業所稱的“擠出脹大”現象。發射藥通過模具后的尺寸變化導致發射藥實際應用與設計參數的偏差,影響了其燃燒性能。

發射藥作為火炮等身管武器的能量來源,其性能引起了國內外眾多學者的高度重視。Jeenu R[1]提出了一種發射藥超聲波測試技術,大大提高了發射藥成品的測試精度。Reshmi S[2]深入分析了某配方發射藥的燃燒機理及規律,階段性地研究了發射藥燃燒過程的能量交換。王燕[3]對不同初始堆積發射藥床進行了擠壓破碎實驗,測得了發射藥床底部的擠壓應力。焦旭英[4]設計了底部結構和傳火管結構2種點傳火結構方案,利用30 mm高壓模擬火炮,研究顆粒模壓發射藥裝藥的點傳火性能。張遠波[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基高能低敏感發射藥,采用電子萬能材料試驗機測試了其低溫抗沖擊強度。王鋒[6]采用半密閉爆發器試驗研究了多孔桿狀發射藥的解體燃燒過程,通過密閉爆發器試驗和高壓30 mm模擬火炮試驗對比了多孔環切桿狀發射藥和粒狀藥的靜態燃燒性能和膛內燃燒性能。張丹丹[7]采用POLYFLOW軟件模擬了發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、體積流量對模具內的壓力分布、模具出口截面處的速度分布及擠出發射藥尺寸的影響,得到制備硝基胍七孔發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容情況下的動態燃燒穩定性、安全性能及不同表面處理方法對動態燃燒漸增性能的影響,將太根小粒藥表面進行解體預處理后,采用乙醇/丙酮高溫熱蒸汽軟化法將其壓實成堆積密度為1.35 g/cm3的藥柱,再進行表面處理,得到待測的壓實藥柱樣品。綜上所述,國內外學者在發射藥的燃燒性能、力學性能研究方面做了大量工作,取得了豐富的研究成果。然而對發射藥擠出成型的分析,國內外鮮有相關報道。本文擬基于正交優化方法,確定單孔硝基胍發射藥擠出模具的結構參數變量,采用POLYFLOW對單孔發射藥擠出過程進行仿真分析,進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化目標,對發射藥擠出模具進行結構優化。研究方法及結果可為發射藥的設計、生產提供參考。

1 計算模型

1.1 模具流道

發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構,為提高計算效率,本文取1/4模型進行分析。

圖1 流道組成

用于本文分析的模具流道參數包括收縮角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

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

質量守恒方程:

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、單位質量的總能、流體壓力、黏性應力張量、熱流通量和密度;i,j,k為單位向量。

2 發射藥物性參數

2.1 計算模型

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

2.2 基本假設

仿真計算時作如下假設[10]:

①藥料是不可壓縮的穩態層流;

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

圖2 25 ℃藥料的流動曲線

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

表1 溶劑比0.24時藥料流變參數

3 結果分析

3.1 流道結構優化

本文所取擠出模具的結構參數包括: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。目標參數取藥料橫截面積膨脹率δ(如圖3所示,藥料在自由段發生膨脹)和成型段出口端速度極差Δ(如圖4所示速度分布)。設計L16(43)正交表[12],對不同因素組合的流道模型進行模擬計算,分析結果列于表3,表3中,δs,Δs中s為各因素的水平數;Rδ,RΔ分別為δ,Δ的極差。

表2 正交計算結果

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 正交結果分析

由表3藥料膨脹率極差行可見,對單孔發射藥成型膨脹影響最大的模具結構因素為模具收縮角,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,對單孔發射藥出口速度分布均勻性影響最大的模具結構因素為模具收縮角,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,藥料分子隨之發生更大的“松弛”現象,導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,收縮角的增大導致藥料單位時間的體積流量增大,進而引起藥料出口的平均速度增大,而由于黏滯效應,流道壁面上的藥料速度很低,導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最小值的400%。可見模具結構的優化應重點考慮藥料出口速度的均勻性變化,故本文以此目標作為遴選模具結構參數的標準。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)。對此結構組合流道進行建模仿真,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行模擬計算,由對比結果可見,優化后的單孔發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%,優化效果顯著。

表4 最優結構模擬結果

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量的關鍵條件,表2所設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函數。

圖5 流道截面壓力分布

4 單孔藥擠出試驗

利用油壓機擠出單孔發射藥。擠出試驗時控制油壓機沖頭速度0.1mm/s恒定,對硝基胍發射藥進行擠出成型。將擠出成型的發射藥密封保存,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)進行三維建模,對藥料流動進行數值計算分析,獲得單孔硝基胍發射藥弧厚的模擬值為2.33mm,與實際制備單孔發射藥弧厚誤差僅為5.67%,表明本文所用計算方法是較為準確的。

5 結論

針對發射藥制備過程中發生膨脹變形的現象,本文采用模擬計算的方法對單孔硝基胍發射藥的擠出成型過程進行計算,基于正交設計方法分析了模具結構參數對發射藥成型尺寸及出口速度均勻性的影響規律,得到以下結論:

①對單孔發射藥成型膨脹影響最大的模具結構因素為模具收縮角,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對單孔發射藥出口速度分布均勻性影響最大的模具結構因素為模具收縮角,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,模具結構參數對出口速度分布的均勻性影響更為嚴重;

④對模具結構參數進行優化,優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

國家自然科學基金-青年科學項目(51506093)

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

TJ55

A

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