發(fā)射藥藥料離模膨脹和流動均勻性模擬及在模具設計中的應用

季丹丹，劉志濤，楊莉莉，廖 昕，王澤山

(1.南京理工大學火藥裝藥技術研究所，江蘇 南京 210094； 2.上海汽車集團股份有限公司，上海 201805)

發(fā)射藥藥料離模膨脹和流動均勻性模擬及在模具設計中的應用

季丹丹1，劉志濤1，楊莉莉2，廖 昕1，王澤山1

(1.南京理工大學火藥裝藥技術研究所，江蘇 南京 210094； 2.上海汽車集團股份有限公司，上海 201805)

為了分析擠出成型過程中模具結構參數(shù)對七孔硝基胍發(fā)射藥離模膨脹率及流動均勻性的影響規(guī)律，采用計算流體力學方法，對擠出成型過程進行模擬計算，討論了模具各結構參數(shù)重要性的主次關系；對七孔發(fā)射藥制備模具進行了結構優(yōu)化，并進行了實驗驗證。結果表明，模具收縮角對膨脹率和藥料出口速度均勻性的影響最大，壓縮段高度次之，成型段長度的影響最小。模具優(yōu)化后流道出口端速度分布均勻性提高36.53%，表明該模擬計算的可靠性與實用性。

發(fā)射藥；計算流體力學(CFD)；模具結構；正交優(yōu)化

引 言

溶劑法擠出成型發(fā)射藥具有重現(xiàn)性好、工藝安全性高等優(yōu)點。但是在擠出成型過程中存在由于離模膨脹產生的產品精確性問題，如孔徑偏大或偏小、弧厚不均勻等。流道內藥料流動的不均勻性會導致產品的扭曲變形、尺寸波動大等問題，影響擠出藥粒的質量。

國內外研究人員對發(fā)射藥的燃燒性能[1-3]、力學性能[4-9]、燃燒試驗研究[10-12]等進行了大量研究。在發(fā)射藥制備方面，丁亞軍等[13]對擠出機機頭流道內物料的流變行為進行了數(shù)值模擬，得到了流道內物料的壓力分布、剪切速率分布和剪切黏度分布;馬忠亮等[14]利用數(shù)值計算的方法對變燃速發(fā)射藥連續(xù)化加工過程進行數(shù)值模擬，研究了影響變燃速發(fā)射藥藥型尺寸波動的因素；張丹丹等[15]利用Polyflow軟件模擬計算了硝基胍發(fā)射藥在七孔藥模中的擠壓成型過程，分析了藥料特性，入口體積流量等對發(fā)射藥擠出成型的影響；常飛等[16]研究了硝基胍發(fā)射藥配方和成型工藝對藥型尺寸的影響?，F(xiàn)有研究主要針對發(fā)射藥的制備工藝，而對模具結構的影響研究鮮有報道。

本研究采用Polyflow軟件對七孔硝基胍發(fā)射藥的擠出成型過程進行模擬計算，以膨脹率和出口速度標準差為目標參數(shù)，深入分析成型模具的結構參數(shù)對發(fā)射藥離模膨脹及流動均勻性的影響規(guī)律。對七孔發(fā)射藥擠出成型模具進行正交優(yōu)化設計，獲得最佳模具結構，并進行了實驗驗證。

1 數(shù)值計算

1.1 計算模型及控制方程

七孔發(fā)射藥擠出成型模具的流道組成結構圖如圖1所示。

圖1 流道組成結構圖Fig.1 Structure diagram of flow channel composition

由圖1可以看出，七孔發(fā)射藥擠出成型模具的流道由圓柱形料缸、圓臺形壓縮段及圓柱形成型段組成，為分析藥料成型后的膨脹行為，與成型段等長度的自由段接于成型段出口端。七孔發(fā)射藥流道屬軸對稱結構，為提高計算效率，本研究取流道的1/4模型進行模擬計算。模具剖面示意圖如圖2所示。

圖2 模具剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of die profile

由圖2可以看出，模具結構參數(shù)包括收縮角α(即壓縮段圓臺錐角)，壓縮段高度Lc，成型段長度Lm，且自由段與成型段等長。成型段內徑(D)為11mm，模針直徑(d)為1.0mm，保持恒定。需要說明的是，料缸直徑和壓縮比(實際進料面積與出料面積之比)可由上述參數(shù)計算獲得，故未將其列入本研究的分析范疇。

流體流動要遵循質量守恒定律和動量守恒定律。對于七孔發(fā)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：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；為Hamilton微分算子；σ為表面應力，Pa；Cp為等壓比熱，J/(kg·K)；k為材料導熱系數(shù)，W/(m·K)；τ為偏應力張量，Pa。

1.2 基本假設

模擬計算時作如下假設[17]：藥料是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流；不考慮擠出過程中的熱傳遞；不計藥料重力和慣性力的影響。

1.3 發(fā)射藥物性參數(shù)

溶劑比為0.24時，硝基胍質量分數(shù)為47%的三基藥在25℃下藥料的流動曲線如圖3所示。

圖3 25℃下發(fā)射藥藥料的流動曲線Fig.3 Flow curves of gun propellant dough at 25℃

Bird-Carreau模型描述的發(fā)射藥剪切黏度與剪切速率的關系表達式如下：

(4)

基于Bird-Carreau模型，對測試結果進行擬合，得到溶劑比為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時發(fā)射藥藥料的流變參數(shù)

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

針狀硝基胍、雙基吸收藥片，中國北方化學工業(yè)集團有限公司；乙醇、丙酮，均為分析純，南京化學試劑有限公司。

JH-500型捏合機，上海紅星化工機械廠；RosandRH-2000型毛細管流變儀，Malvern公司；H32iROXK11-100型三維視頻顯微鏡，美國科視達有限公司。

2.2 硝基胍發(fā)射藥的制備

先將424g雙基吸收藥藥片與120mL溶劑(醇酮比為1∶1)混合，在捏合機中塑化30min后加入硝基胍與另一半溶劑，整個過程盡量避免溶劑揮發(fā)。水浴控制溫度為25℃，塑化5h后取出，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

將藥料填入優(yōu)化后模具的料缸，控制入口線速度恒定，在25℃下擠出成型。采用三維視頻測量制得七孔硝基胍發(fā)射藥的弧厚與孔徑。

2.3 流變性能試驗

稱取20g硝基胍發(fā)射藥投入毛細管流變儀中，水浴保持溫度25℃，設定剪切速率范圍，測定硝基胍發(fā)射藥藥料的流變性能。

3 結果與討論

3.1 藥料膨脹行為的模擬計算結果

七孔藥模具收縮角(α)范圍為70°～130°，壓縮段高度(Lc)為1～2D，成型段長度(Lm)為2.0～2.5D[19]。模具3個結構參數(shù)各取4個水平，正交試驗結果如表2所示。流道入口線速度為1×10-4m/s。目標參數(shù)包括藥料膨脹率，以藥料在自由段出口面積與成型段出口面積之比(δ)來表示；流道出口速度均勻性以成型段出口速度標準差(vSD)表示。藥料的膨脹行為如圖4所示。

表2 正交試驗結果

圖4 發(fā)射藥藥料的膨脹行為示意圖Fig.4 Schematic diagram of expansion behavior for gun propellant dough

由圖4可知，藥料在自由段發(fā)生膨脹。成型段出口藥料速度分布如圖5所示。

圖5 成型段出口發(fā)射藥藥料速度分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of velocity distribution of gun propellant dough at the forming section exit

由圖5可知，流道出口截面產生速度梯度，靠近壁面處速度低，模針與模針之間速度大。設計了L16(43)正交表[20]，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 正交試驗結果分析

由表3中藥料膨脹率的極差值可見，模具收縮角對七孔發(fā)射藥膨脹率的影響最大，壓縮段高度次之，而成型段長度的影響最小，可忽略不計。收縮角影響藥料膨脹最重要的原因在于，在藥料入口線速度恒定的前提下，收縮角的增大直接導致入口面積增大，入口質量流量增加，藥料在成型段所受壓力及流動速度隨之增大，藥料在流道中的剪切變形與拉伸變形隨之增加，在藥料離開模具后，藥料分子產生更大的“松弛”現(xiàn)象，導致藥料離模膨脹率的增大。由表3中出口速度標準差極差值可見，模具收縮角對藥料出口端的速度標準差影響最大，壓縮段高度次之，而成型段長度的影響最小。收縮角的增大導致入口藥料的質量流量增大，根據(jù)質量守恒定律，藥料出口的平均速度增大，而由于藥料與流道壁面間的黏滯效應，流道壁面上的藥料速度很低，導致出口速度標準差增大，速度分布均勻性變差，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因素為模具收縮角，膨脹率極差為最小膨脹率的14.27%，而出口速度標準差極差則是最小速度標準差的118.36%，可見模具結構參數(shù)對藥料出口速度分布的影響遠超對膨脹率的影響，故本研究以藥料出口速度標準差作為優(yōu)化模具結構的目標參數(shù)。取各因素下的最小出口速度標準差對應的水平值，收縮角應取水平1(70°)，壓縮段高度取水平1(14mm)，成型段長度取水平4(50mm)。對此結構組合流道進行建模及數(shù)值模擬計算，獲取其藥料膨脹率及出口速度標準差。對初始七孔藥擠出模具進行模擬計算，結果見表4。由表4可見，優(yōu)化后的七孔發(fā)射藥擠出模具制備的藥料膨脹率增加9.02%，出口速度均勻性提高36.53%，在藥料膨脹率基本不增大的情況下大幅提高了出口速度均勻性，優(yōu)化效果顯著。

表4 模具結構優(yōu)化前后模擬結果對比

3.2 實驗驗證結果

采用三維視頻測量制得七孔硝基胍發(fā)射藥的弧厚與孔徑如圖6所示。

圖6 七孔硝基胍發(fā)射藥弧厚與孔徑的電子顯微照片F(xiàn)ig. 6 Electron micrographs of the web sizes and pore diameters of seven-perforation nitroguanidine gun propellant

由圖6可見，優(yōu)化后模具制備所得發(fā)射藥內孔分布良好，弧厚均勻，孔徑基本一致。對優(yōu)化后的模具結構進行模擬，計算條件與實驗條件保持一致。得到模擬計算與實驗測得的弧厚分別為2.25和2.11mm，孔徑分別為0.90和0.93mm。孔徑與弧厚的實驗結果與模擬計算值偏差均小于15%。

4 結 論

(1) 模具收縮角對七孔發(fā)射藥成型膨脹及出口速度分布均勻性的影響最大，其次為壓縮段高度，成型段長度的影響最小，可忽略不計。

(2) 模具結構參數(shù)對出口速度分布均勻性的影響超過對離模膨脹的影響。

(3) 對模具結構參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的藥料出口速度均勻性提高36.53%，實驗驗證結果表明模擬計算具有可靠性。

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Simulation of Die Swell and Flow Uniformity of Gun Propellant Dough and Application in Die Design

JI Dan-dan1, LIU Zhi-tao1, YANG Li-li2, LIAO Xin1, WANG Ze-shan1

(1. Charging Technology Institute, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；2. SAIC Motor Company, Shanghai 201805, China)

To analyze the effect law of die structure parameters in extrusion forming process on the swell ratio and flow uniformity of seven-perforation nitroguanidine gun propellant, the extrusion forming process was simulated by computational fluid dynamic method, the primary and secondary relationship of die structure parameter importance was discussed, the die structure for seven-perforation gun propellant was optimized and experimental validation was performed. The results show that the influence of contraction angle of die on the swell ratio and uniformity of dough exit velocity is the biggest, the compression section height is secondary and the forming section length is smallest. The uniformity of velocity distribution at the flow channel exit end after optimization of die is improved by 36.53%, indicating the reliability and practicability of the simulation calculation.

gun propellant; computational fluid dynamics (CFD); die structure; orthogonal optimization

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.018

2017-03-03；

2017-06-11

國家自然科學基金-青年科學項目(No.51506093)

季丹丹(1986-)，女，博士研究生，從事含能材料配方設計及工藝研究。E-mail: zihedandan@163.com

廖昕(1961-)，男，研究員，從事含能材料配方設計及工藝研究。E-mail: liaoxin331@163.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)04-0097-05