七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥擠出脹大的模擬

柴 俊，馬忠亮

(中北大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，太原 030052)

多孔發(fā)射藥除了有從外表面向內(nèi)減面燃燒的過(guò)程之外，同時(shí)還有從內(nèi)孔表面逐層向外增面燃燒的過(guò)程，這樣使得多孔發(fā)射藥表現(xiàn)出先增面燃燒而后減面燃燒的特性。變?nèi)妓侔l(fā)射藥是一種采用物理復(fù)合的方式制備而成的具有高燃燒漸增性的發(fā)射藥，內(nèi)層為高能量層，外層為低能量層。其能量釋放規(guī)律具有可調(diào)節(jié)性，適應(yīng)更廣泛的武器需求。七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥有效地結(jié)合了多孔火藥和變?nèi)妓侔l(fā)射藥的特性，燃燒時(shí)燃速會(huì)發(fā)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(duì)變?nèi)妓侔l(fā)射藥的燃燒漸增性能有著重要的影響［4］。研究七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥擠出過(guò)程中尺寸的變化對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥有著重要的意義。劉林林等對(duì)不同操作條件下藥料流動(dòng)情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬［5］。馬忠亮等通過(guò)不同操條件下擠出物共擠段流動(dòng)情況的模擬，研究了連續(xù)化生產(chǎn)工藝中變?nèi)妓侔l(fā)射藥尺寸波動(dòng)的影響因素［6］。程山等對(duì)標(biāo)準(zhǔn)七孔發(fā)射藥以及不同內(nèi)外層火藥力和不同內(nèi)外層燃速比的七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥的內(nèi)彈道性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算［7］。但是還未見(jiàn)七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥擠出過(guò)程中口模流道內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行研究的報(bào)道。研究中應(yīng)用POLYFLOW 軟件模擬了七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥在口模中的三維等溫共擠出過(guò)程，討論了壁面滑移系數(shù)對(duì)七孔變?nèi)妓侔l(fā)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?nèi)妓侔l(fā)射藥共擠出流道的二維幾何模型，共擠出流道分為進(jìn)料區(qū)、共擠區(qū)和擠出脹大區(qū)三段。七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥口模中心孔和邊孔直徑R1=0.2 mm，內(nèi)層厚度H內(nèi)=2.2 mm，外層厚度H外=0.1 mm，共擠區(qū)L，擠出脹大區(qū)取5 mm。在變?nèi)妓侔l(fā)射藥間斷式成型用機(jī)頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模。由于流道是軸對(duì)稱(chēng)錐形結(jié)構(gòu)，因此在對(duì)該模具進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將流道模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，同時(shí)將流道模型簡(jiǎn)化成1/4 進(jìn)行計(jì)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(fā)射藥，內(nèi)層物料為含有20%細(xì)黑索金(RDX)的單基發(fā)射藥，采用MLW-400 型防爆流變儀對(duì)內(nèi)外層物料進(jìn)行流變特性測(cè)試。用Bird-carreau［6］模型描述變?nèi)妓侔l(fā)射藥內(nèi)外層物料的流變學(xué)特征，即聚合物的黏度與剪切速率有如下關(guān)系

式中:η0為零剪切黏度;λ 為時(shí)間常數(shù);n 為非牛頓指數(shù)。

利用POLYFLOW 軟件的polymat 模塊選擇Bird-carreau law 模型對(duì)流變數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

表1 變?nèi)妓侔l(fā)射藥內(nèi)層、外層的材料參數(shù)

1.3 條件設(shè)置及算法

本研究主要探討在入口流量比一定下，口模長(zhǎng)徑比和壁面滑移系數(shù)對(duì)變?nèi)妓侔l(fā)射藥共擠時(shí)的界面半徑和擠出脹大的影響。在研究壁面滑移因素時(shí)，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(yīng)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(shù)。分別選擇滑移系數(shù)fk=108; fk=109; fk=1010; fk=1011; fk=1012為研究對(duì)象。

求解過(guò)程中采用Evolution 方法解決模擬過(guò)程中的非線(xiàn)性問(wèn)題，采用二次等參元法求解速度場(chǎng)，線(xiàn)性等參元法求解壓力場(chǎng)，并用Picard 迭代方法進(jìn)行迭代。

定義離模膨脹率

式中:B 為脹大比;D 為擠出產(chǎn)品尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 壁面滑移動(dòng)系數(shù)對(duì)界面的影響

從圖2 中可以看出，在共擠區(qū)，隨著滑移系數(shù)fk 越小，模具越光滑，壁面摩擦力越小，剪切作用越小，流體內(nèi)部速度分布越均勻，導(dǎo)致界面向內(nèi)層偏移量越小。不同摩擦系數(shù)的出口速率分布如圖3 所示，當(dāng)fk=108時(shí)，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(dāng)fk=1012時(shí)，流體與模具接近于無(wú)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(shù)fk越大，流體內(nèi)部速度分布越不均勻，在垂直于流動(dòng)方向上的速度梯度增大，導(dǎo)致流體離開(kāi)口模后在擠出脹大區(qū)的脹大率增大，界面半徑隨著流體的脹大而變大。當(dāng)fk=108時(shí)在擠出脹大區(qū)，由于幾乎無(wú)擠出脹大所以界面半徑幾乎沒(méi)有發(fā)生變化;當(dāng)fk=1012時(shí)，界面隨著擠出脹大率的增加發(fā)生嚴(yán)重的偏移，界面半徑增大約0.32 mm。

圖2 壁面滑移系數(shù)對(duì)界面的影響

圖3 不同摩擦系數(shù)的出口速率分布

2.2 壁面滑移系數(shù)對(duì)擠出脹大的影響

從圖4 中可以看出，B內(nèi)、B外和B總都隨著滑移系數(shù)的增大而增大，這是因?yàn)殡S著滑移系數(shù)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(nèi)部速度分布越來(lái)越不均勻，在垂直于流動(dòng)方向上的速度梯度越大，流體離開(kāi)口模后的脹大率越大。

圖4 滑移系數(shù)對(duì)離模脹大率的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

改善七孔變?nèi)妓侔l(fā)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(shù)變小，可使流道內(nèi)流體的速度分布趨于均勻，減小七孔變?nèi)妓侔l(fā)射藥交界面半徑的變化，改善發(fā)射藥制備中擠出脹大情況，提高變?nèi)妓侔l(fā)射藥的擠出質(zhì)量。

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