某火箭彈鑄裝炸藥溫度場仿真分析

湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院武器裝備技術(shù)學(xué)院 孫云忠 譚慶 藺相飛 馮帆 賀超 高艷慧

炸藥熔鑄過程是將熔融炸藥注入模具，然后冷卻凝固為具有一定形狀和尺寸藥柱的工藝過程[1-15]。熔鑄裝藥過程中炸藥內(nèi)部易出現(xiàn)縮孔、裂紋、模具與炸藥出現(xiàn)間隙等缺陷，通常的做法是采用真空熔鑄法進(jìn)行鑄裝。在后續(xù)搬運(yùn)和使用過程中，存在一定安全隱患。針對鑄裝時(shí)某型火箭彈戰(zhàn)斗部內(nèi)部溫度不易測量，冷卻時(shí)間不能精確控制的問題，我們建立了鑄裝炸藥的模型，對其溫度場進(jìn)行仿真模擬，對冷卻時(shí)間進(jìn)行了精確預(yù)測。

1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，某型火箭彈戰(zhàn)斗部由電纜套、蓋板、外殼、主裝藥、傳爆管殼、后端蓋、螺母等組成。

電纜套套接在蓋板、外殼、主裝藥和后端蓋的孔內(nèi)。電纜套右端通過螺母進(jìn)行并緊。

蓋板和后端蓋通過螺釘與外殼固定連接。

傳爆管殼套接在主裝藥的安裝孔內(nèi)，且端面通過螺釘與后端蓋固定連接。

圖1 某型火箭彈戰(zhàn)斗部

2 鑄裝工裝

主裝藥通過真空熔鑄鑄裝在外殼內(nèi)，鑄裝時(shí)，除了要更換后端蓋之外，鑄裝容器均使用戰(zhàn)斗部的元器件，鑄裝完成后不取下。

鑄裝工裝主體結(jié)構(gòu)使用戰(zhàn)斗部零件，原有后端蓋要更換為鑄裝后端蓋，鑄造冷卻完成后取下鑄裝后端蓋，用專用銑床將澆冒口凸出部分銑平，然后再將后端蓋安裝到主裝藥尾端，完成鑄裝的整個(gè)過程。主裝藥主要成分為TNT，摻雜了惰性元素，屬于惰性炸藥，若選用合適的加工手段，嚴(yán)格控制主裝藥溫度，且避免產(chǎn)生火花，在加工過程中即可保證安全生產(chǎn)。

圖2 某型火箭彈戰(zhàn)斗部鑄裝工裝

3 熔鑄炸藥凝固過程的數(shù)學(xué)模型

3.1 對溫度傳導(dǎo)過程的基本假設(shè)

（1）澆鑄前期瞬間，因?yàn)橐簯B(tài)的炸藥和殼體的熱量交換較小，所以澆鑄過程中炸藥與殼體接觸面的溫度取為固定溫度86℃。

（2）由于澆鑄用時(shí)很短，忽略澆鑄工程中溫度的傳導(dǎo)過程。

（3）炸藥為TNT，且炸藥各向同性。

（4）假設(shè)澆鑄和冷卻過程均是在室內(nèi)環(huán)境，空氣無流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，室內(nèi)溫度25℃。

（5）不考慮殼體漆層對傳熱和散熱的影響。

3.2 炸藥凝固過程溫度場的數(shù)學(xué)模型

熱量的傳導(dǎo)是介質(zhì)內(nèi)部無宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量傳遞現(xiàn)象，單個(gè)部件或者相接觸的兩個(gè)部件存在溫差時(shí)都會(huì)發(fā)生高溫部件向低溫部件傳遞熱量的熱傳導(dǎo)過程。熱傳導(dǎo)過程采用傅里葉定律計(jì)算。

式中，q- 比熱流量；k- 導(dǎo)熱系數(shù)；溫度沿法線方向的導(dǎo)數(shù)。

當(dāng)炸藥澆鑄完成后，，假設(shè)液態(tài)炸藥內(nèi)部沒有熱交換，炸藥的凝固只需考慮不穩(wěn)定導(dǎo)熱，這一過程用不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程描述。

式中，ρ- 液相和固相的平均密度，ρL- 固相密度；fL液相體積分?jǐn)?shù)；fs- 固相體積分?jǐn)?shù)；c- 等壓比熱容；T- 液藥溫度；t- 時(shí)間；λ- 導(dǎo)熱系數(shù)；L- 結(jié)晶潛熱；Tw- 環(huán)境溫度；hr- 換熱系數(shù)。

3.3 相變潛熱的處理

多數(shù)模擬軟件采用熱焓法處理凝固過程的相變潛熱，熱焓法中潛熱定義熱焓函數(shù)為：

式中，H- 熱焓，H0- 初始溫度熱焓，c- 比熱容，L- 凝固潛熱。

將式1 對溫度求導(dǎo)：

將上式代入式2 得：

4 仿真及結(jié)果分析

除主裝藥外將使用三維建模軟件UG 建立的引信底部機(jī)構(gòu)組件導(dǎo)入有限元分析軟件并劃分網(wǎng)格。對主裝藥賦予86℃初始溫度，其余零部件賦予20℃初始溫度，與空氣接觸處賦相應(yīng)表面對流放熱系數(shù)。

對炸藥賦TNT 材料，殼體和端蓋等部件賦7075 鋁合金材料。

對鑄裝過程進(jìn)行溫度場仿真，通過提取結(jié)果云圖發(fā)現(xiàn)，外殼溫度始終保持在一個(gè)較低水平，由于炸藥導(dǎo)熱系數(shù)低，炸藥將熱量傳遞給外殼的效率很低，冷卻過程較為緩慢，尤其是芯部的冷卻耗時(shí)極長。

圖3 鑄裝30min 后溫度場分布云圖

芯體和殼體溫度- 時(shí)間曲線如圖4 所示，芯體溫度緩慢降低，在鑄裝開始2h 后溫度僅下降到50℃左右，鑄裝開始6h 后芯體溫度在30℃左右。殼體溫度呈現(xiàn)急速上升緩慢冷卻的趨勢，在鑄裝開始20min 左右溫度就已達(dá)到48℃左右。

圖4 芯體、殼體溫度- 時(shí)間曲線

5 結(jié)語

對某型戰(zhàn)斗部主裝藥的鑄裝過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在6h左右炸藥及模具溫度冷卻到常溫。為保證生產(chǎn)質(zhì)量和安全，從澆鑄到拆卸工裝和搬運(yùn)的時(shí)間不得少于6h。

關(guān)于是否采用水浴作為控制彈藥裝藥凝固的環(huán)境介質(zhì)，改善彈藥毀傷性能及使用安全性的方案，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后再確認(rèn)是否開展。