溫度對某含能材料成型模具變形的影響研究

季丹丹 岳顯 黃求安 肖勇 程林

摘要：為了研究溫度對某含能材料擠出成型模具內(nèi)模針撓曲變形的影響，采用數(shù)值計算方法對成型模具中藥漿的流動過程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：隨溫度的升高，藥漿黏度降低，流動性變好;在一定的藥漿入口線速度下，隨溫度的升高，模針變形量呈線性遞減趨勢。

關(guān)鍵詞：含能材料;模具;變形;數(shù)值仿真

0 引言

高質(zhì)量、高可靠性的含能材料在武器系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。國內(nèi)外研究人員對含能材料混合設(shè)備、加工工藝、安全性能等進(jìn)行了大量研究[1]。成型模具決定了含能材料的形狀與尺寸。在成型過程中，藥漿在模具內(nèi)產(chǎn)生各向壓力，引發(fā)模針變形，造成成型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)的偏差，影響其燃燒性能。

本文以某含能材料為研究對象，采用數(shù)值計算的方法[2]分析了不同成型溫度下的藥漿流動過程，獲得成型溫度對模針變形的影響規(guī)律，為含能材料成型質(zhì)量的提高提供理論支撐。

1 計算模型

1.1 ? ?流道結(jié)構(gòu)

成型模具是決定含能材料成型形狀、尺寸的關(guān)鍵，主要由模體、針架和模針組成。某成型模具具體參數(shù)如下：壓縮段高度10 mm，成型段長度36 mm、直徑11 mm，模針直徑1 mm。本文所用模針材料為碳素鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25。藥漿流動過程中會對模針表面造成壓迫，導(dǎo)致其發(fā)生撓曲變形，為此本文采用單向流固耦合方法對藥漿流動過程進(jìn)行分析。以CFX方法分析流道內(nèi)藥漿的流動過程，獲得模針表面的壓力分布數(shù)據(jù)，并傳遞至結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊，分析模針在此壓力作用下的變形量，藥漿的流動均勻性由CFX模塊求解獲得。流道計算中入口選用的速度入口為0.2 mm/s;出口選用自由出口，其余面均設(shè)置為壁面。

考慮到藥漿的性能，仿真計算時做如下假設(shè)[3]：（1）不考慮擠出過程中的熱傳遞;（2）藥漿流動是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流;（3）不計藥漿重力和慣性力的影響。

1.2 ? ?藥漿流變參數(shù)

不同加工溫度下的藥漿流變參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 ? ?流道壓力分布

35 ℃時流道內(nèi)壓力分布如圖1所示，可見壓力最大值位于藥漿入口處，沿藥漿的流動方向壓力逐漸降低，靠近藥漿出口處的流道受壓僅為入口處壓力的10%左右。

2.2 ? ?模針變形分析

模針受壓分布如圖2所示，可見模針在靠近出口處的受壓最小，與針架連接處受壓最大。模針變形云圖如圖3所示，可見由于針架的固定約束作用，模針靠近藥漿入口處變形最小，靠近流道出口端則因邊界無約束而發(fā)生最大變形。圖4為模針最大變形量隨藥漿溫度的變化趨勢，可見隨藥漿溫度的升高，模針最大變形呈線性遞減趨勢。由表1中的η0列可見，隨溫度的升高，藥漿黏度降低，流動性變好，貼近流道壁面層低速區(qū)域范圍減小，流動藥漿在模針上的粘附性降低，模針受壓減小，模針在藥漿壓力作用下的變形量隨之減小。

2.3 ? ?仿真結(jié)果驗證

本文對不同溫度藥漿進(jìn)行擠出成型試驗，各工況溫度及試驗結(jié)果如表2所示，同時對各工況進(jìn)行數(shù)值仿真，所得模針變形結(jié)果一并列出。由表2可知，隨著溫度升高，模針實際變形量明顯減小。與仿真變形量對比可知，本文所用仿真方法所得結(jié)果與實驗值吻合，在30 ℃條件下計算值與實驗值偏差最大，但低于15%，表明本文的研究方法正確有效，可用于指導(dǎo)含能材料成型研究。

3 結(jié)語

針對模針在某含能材料藥漿擠出成型過程中發(fā)生撓曲變形的情況，本文采用單向流固耦合方法，分析了藥漿溫度對模針變形量的影響，得到以下結(jié)論：

（1）模針出口端受壓最小，與針架連接處受壓最大。由于針架的固定約束，模針與針架固連處變形最小，靠近流道出口端則因邊界無約束而變形最大。

（2）隨藥漿溫度的升高，藥漿黏度降低，流動性變好，擠出壓力降低，模針最大變形量呈線性遞減趨勢。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊明金.立式捏合機混合釜內(nèi)固體推進(jìn)劑藥漿混合的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[2] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3] MU Y，ZHAO G Q.Numerical study of non-isothermal polymer extrusion flow with a differential viscoelastic model [J].Polymer Engineering and Science.2008，48（2）：316-328.

收稿日期：2020-08-26

作者簡介：季丹丹（1986—），女，江蘇南通人，博士，工程師，研究方向：含能材料成型工藝與裝備。