典型含能材料壓延塑化過程模擬分析①

彭昭宇，薛 平，宋秀鐸，張 軍，賈明印

(1.北京化工大學，北京 100029； 2. 西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

含能材料是一種含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物、可獨立地進行可持續(xù)反應(yīng)，并迅速釋放出巨大能量的化學能源[1]，其廣泛用于發(fā)射彈丸、摧毀目標等軍工行業(yè)；在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也不容小覷，主要用于機械加工及工程施工，如爆炸拆除、地質(zhì)勘探、海上拋纜等。

用于壓延塑化的含能材料的原材料中通常含有大量的硝化棉(NC)和硝化甘油(NG)，顯著影響著體系的性質(zhì)和加工特點。硝化棉用作粘合劑，其含量約占體系配方的30%～90%[2]，但硝化棉的玻璃化溫度Tg(約174 ℃[3])相比其加工溫度(通常小于100 ℃)高出許多；硝化甘油作為增塑劑，通過對硝化棉的溶脹溶解作用，可降低硝化棉分子運動所需的活化能，增大其回轉(zhuǎn)半徑和分子自由體積[4]，改變硝化棉分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而大大降低硝化棉的玻璃化溫度，使整個體系具備一定可塑性和粘合性[5]。由于物料本身具有很高的粘度，且體系中填充分布了大量的固體組分(如黑索金、鋁粉、無機氧化物等)，因此需要壓延過程提供的溫度、壓力與剪切拉伸等作用，實現(xiàn)物料的塑化。

含能材料在受到強烈的撞擊、摩擦、電火花、沖擊及過高的溫度及壓力作用下，容易發(fā)生燃燒甚至爆炸[6]，一旦出現(xiàn)安全事故，通常采用光電轉(zhuǎn)換雨淋系統(tǒng)進行撲滅[7]，整個生產(chǎn)線都將癱瘓，造成極大的經(jīng)濟損失，更有甚者，會造成人員的傷亡。

因此，本文擬對壓延塑化過程進行模擬仿真，探究各特征量的分布情況，從安全加工和塑化效果兩個方面進行分析研究，為實際加工過程中工藝條件的設(shè)置提供一定的理論指導。

1 典型含能材料流變模型

本文研究使用的物料流變特性見圖1。從物料的粘度與剪切速率之間關(guān)系分析可知，物料的粘度隨著剪切速率的增大而逐漸減小，與假塑性流體的性質(zhì)相符。因此，采用冪律模型來描述：

(1)

采用Origin軟件進行曲線擬合，得到描述該典型含能材料流變性能的方程參數(shù)：m=7.40×106，n=0.15，擬合度高達0.999 96。

圖1 流變參數(shù)及擬合結(jié)果

2 建立物理模型并進行網(wǎng)格劃分

壓延機工作輥和空轉(zhuǎn)輥直徑相同，并開有縱向溝槽來實現(xiàn)物料的軸向輸送[8]。采用SolidWorks軟件進行輥筒及物料的三維實體建模，如圖2所示。為提高計算精度，將輥筒軸向長度取為實際長度的1/10，取接觸點位置所在的平面為物料的上表面，最小輥隙處為物料出口。

本文研究的物料對象是從接觸點所在平面到最小輥隙之間的部分，這一部分的物料體積遠大于溝槽尺寸，且輥筒直徑遠大于溝槽深度，約為槽深的280倍，溝槽細小而密集[9]，會給模擬帶來巨大的困難。因此，將模型簡化為光輥進行模擬計算。取輥筒間的物料為研究對象，將物料的三維模型導入到ANSYS自帶的Mesh工具中進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖3所示。

圖2 壓延塑化三維物理模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 物料壓延塑化過程中的控制方程及邊界條件的確定

典型含能材料在一定溫度和壓力作用下，鏈段和分子鏈發(fā)生運動，實現(xiàn)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，發(fā)生明顯的三態(tài)變化[5]。為方便計算和分析，對物料的壓延過程進行合理的基本假設(shè)[10]：

(1)物料為不可壓縮流體；

(2)滿足壁面無滑移的流動條件；

(3)流動充分發(fā)展，為穩(wěn)定流動；

(4)物料粘度很高，故忽略慣性力和重力。

本構(gòu)方程：同式(1)

連續(xù)性方程：

(2)

式中v為速度矢量，m/ s；

運動方程：

(3)

(4)

(5)

式中p為壓力，Pa；τ為應(yīng)力張量，Pa。

如圖4所示，將物料的三維模型設(shè)置了6個邊界：1為入口邊界，2表示物料與工作輥輥筒表面接觸的邊界，3為前端面，4為物料與空轉(zhuǎn)輥輥筒表面接觸的邊界，5為后端面，6為出口邊界。

在本次模擬計算中，工作輥轉(zhuǎn)速為25 r/min，空轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速分別為25、28、31 r/min ，即速比分別為1∶1、1∶1.12、1∶1.24；輥筒間隙由0.8 mm逐步遞增到1.2 mm；物料在輥筒表面無滑移，故輥筒表面的線速度即為輥筒表面物料的速度；物料密度為1700 kg/m3，結(jié)合輥筒轉(zhuǎn)速和直徑確定入口體積流率為3.268×10-6m3/s。

邊界條件設(shè)置及相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

圖4 邊界示意圖

邊界邊界條件1入口2(vx,vy,vz)3fn=fs=04(vx,vy,vz)5fn=fs=06出口

表2 相關(guān)參數(shù)

4 模擬計算結(jié)果分析與討論

下述中間截面均為圖5中Z向坐標為0.065 m并與XY平面平行的Plane1，下述線段均為Plane1面上點(0，0，0.065)與點(0，0.07，0.065)之間的線段Line1；下述流場分析基于兩輥筒轉(zhuǎn)速均為25 r/min，輥筒間隙為1 mm的工藝條件。

圖5 模型中間截面Plane 1及截面上沿Y向線段Line 1示意圖

4.1 速度場分布

壓延物料的三維速度場云圖如圖6(a)所示，由于采用壁面無滑移假設(shè)，故與輥筒表面接觸的物料速度均為輥筒表面線速度，為0.707 m/s。為看清流速的內(nèi)部分布，截取Plane 1，如圖6(b)所示?？煽吹?，壓延時物料在輥筒的轉(zhuǎn)動下被帶入輥隙中，隨著兩輥間可容納物料體積的減小，物料的流速增大，在最小輥隙處流速達到最大值，為0.72 m/s，上述現(xiàn)象根據(jù)物料衡算，滿足不可壓縮流體的連續(xù)性方程。

(a) 三維速度場分布 (b) Plane 1速度場分布

圖7為Line 1上Y向流速分布。從圖7可看出，一開始Y向流速為負。結(jié)合圖5可知，該處物料流速向下，意味著該處的物料通過了輥隙，隨著Y向坐標增大，Y向流速突變?yōu)檎担丛撎幬锪狭魉傧蛏?，且流速值基本穩(wěn)定在0.1 m/s左右。從圖6(b)可看出，該處物料流速較慢，而靠近輥筒表面的物料流速大，在輥筒的帶動下，物料更易進入輥隙，占據(jù)了輥隙處的狹小空間。因此，流速較慢的這部分物料未能通過輥隙，且在輥筒的強烈擠壓下產(chǎn)生較小的向上速度。

采用流線圖8來表示物料的流動方向，可明顯看出中間部分的物料流速最??；由于緊挨輥筒處的物料速度向下，在與向上的速度相互作用下形成旋渦。由于該處的物料不能盡早的通過輥隙，會在輥筒上方停留較長時間。

圖7 Line 1上Y向流速分布

(a) Plane 1流線分布 (b) 軸向速度分布

從軸向速度分布圖上看，被拉入輥隙的物料流速基本保持一致，處于中間位置的物料流速與兩邊相比較小，這是由于兩邊的物料會沿著Z向有較大的流速，而中間物料處于物料模型內(nèi)部，自由流動區(qū)域有限。

因此，綜合分析圖6(b)、圖8(a)可知，處于三維模型最中間部分的物料流速最小，僅為輥隙處流速的1.03%，在輥筒上方的停留較長時間，所受拉伸和混合作用時間久，有利于塑化。

4.2 壓力場分布

壓延物料的壓力場如圖9(a)所示，隨著兩輥間可容納物料體積的減小，物料所受壓力逐漸增大，在最小輥隙處壓力達到最大值11 MPa，從軸向看，在同一水平面上，處于中間部分的物料較兩端所受壓力較大。這是因為中間部分物料的自由流動區(qū)域有限，流速較慢，故受到的輥筒擠壓力較大。同理，圖9(b)為Plane 1物料所受壓力分布圖，壓力等值線向上彎曲，證明在同一水平面上處于兩輥中間的物料受到的壓力更大。

綜合來看，處于三維模型中間部分的物料所受壓力相對兩端物料約大1 MPa，在保證安全的前提下，塑化質(zhì)量較好；壓力最大值11 MPa出現(xiàn)在最小輥隙處。

(a) 三維壓力場分布 (b) Plane 1壓力場分布

4.3 粘度場和剪切速率分布

物料的流動性與假塑性流體的性質(zhì)相符，即粘度隨著剪切速率的增大而逐漸減小，這一性質(zhì)從粘度和剪切速率分布的云圖中得到證實。

圖10(a)為Plane 1粘度分布情況，圖10(b)為軸向粘度分布；圖11為剪切速率分布。

從圖10和圖11可看出，物料以較高的剪切速率(最大值為1931 s-1)通過輥隙時，粘度降至最小值169 Pa·s，離輥隙上方越遠，剪切速率逐漸衰減，在中間位置出現(xiàn)高粘度區(qū)，最大粘度值達到1.2×105Pa·s。

(a) Plane 1粘度分布 (b)軸向粘度分布

物料進入輥隙時，剪切速率大幅提升，這是因為隨著流道逐漸窄小，物料的流動狀況發(fā)生變化，物料受到較強的拉伸作用，導致物料之間摩擦生熱加劇，分子間熱運動能量增大，從而改善了物料流動性，故粘度下降[11]；物料的分子鏈段在剪切作用下發(fā)生取向，破壞了分子間的平衡力，改變了物料的粘滯狀態(tài)，從而導致物料之間的粘滯力下降，粘度變小[12]。

圖11 剪切速率分布

4.4 混合指數(shù)λ分布

在物料的壓延塑化過程中，混合指數(shù)反應(yīng)了剪切和拉伸作用之間的相互關(guān)系[13]：λ=0時，表示不存在拉伸和剪切作用，只是單純的滾動過程；λ=0.5時，表示混煉過程為純剪切作用；λ=1時，表示純拉伸作用；λ處于0～0.5之間時，表示物料受剪切作用影響，存在滾動過程；λ處于0.5～1之間時，表示物料受剪切和拉伸雙重作用影響，隨著λ的增大，拉伸作用的影響更為顯著。

如圖12所示，中間靠上位置的λ值較大，最大可達到0.96，表明該處的拉伸作用顯著，而靠近輥筒表面處的λ在0.5左右，表明混煉過程主要為剪切作用，會產(chǎn)生一定的分散混合作用，故該處物料的粘度較低；從Line 1上混合指數(shù)分布來看，靠近輥隙處λ偏小，隨著Y向坐標逐漸增大，λ也不斷增大，最終穩(wěn)定在0.9左右。整體混合指數(shù)處于0.5～1.0之間，越靠近中間位置，混合指數(shù)越大，即模型中間部分物料所受拉伸作用強烈，分布混合效果明顯。隨著兩輥間可容納物料體積的減小，物料受到的擠壓作用明顯，由于物料為不可壓縮流體，會產(chǎn)生向上的速度，從而促進物料的混合，有利于塑化質(zhì)量的提高。

5 工藝及設(shè)備參數(shù)的影響與討論

為探究不同轉(zhuǎn)速(速比)及不同輥隙的條件下物料塑化質(zhì)量的好壞，選取了工作輥與空轉(zhuǎn)輥速比分別為1∶1、1∶1.12和1∶1.24三種不同工況及輥隙為0.8～1.2 mm的條件下，分析剪切應(yīng)力的變化情況。

5.1 不同速比對塑化效果的影響

在其他條件不變的情況下改變輥筒速比，分別選取1∶1、1∶1.12和1∶1.24進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果計算與XY面平行，Z向坐標漸變的面組上剪切應(yīng)力的平均值，結(jié)果如圖13所示?？拷黀lane 1(Z坐標0.065 m)的面與靠近兩端的面相比，平均剪切應(yīng)力明顯較大，越靠近兩端平均剪切應(yīng)力越小，隨著空轉(zhuǎn)輥輥速的增大，面組上剪切應(yīng)力的均值以呈增大的趨勢，增量為1%左右。這是由于提高輥筒速比，可給物料提供更強的剪切撕裂作用，增大機械力，有利于改善混煉效果，但不可過分提高輥筒速比，以防發(fā)生危險。

(a) Plane 1

(b) Line 1

圖13 不同速比下的面組平均剪切應(yīng)力

5.2 不同輥隙對塑化效果的影響

保持其他條件不變，改變輥隙，分別選取0.8、1.0、1.2 mm進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果計算與XY面平行，Z向坐標漸變的面組上剪切應(yīng)力的平均值，結(jié)果如圖14所示。

從圖14中可看出，隨著輥隙逐漸增大，面組上平均剪切應(yīng)力的最大值逐漸增大，但靠近兩端的面上，平均剪切應(yīng)力值變化不大，中間面上變化較為明顯。隨著輥隙的增大，物料所受擠壓作用減小，粘度增大，致使平均剪切應(yīng)力增大。

圖14 不同輥隙下的面組平均剪切應(yīng)力

保持其他條件不變，改變輥隙，分別為0.8～1.2 mm逐步進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果計算整個模型中最大壓力與最大剪切速率，結(jié)果見圖15。

根據(jù)圖15可知，隨著輥隙由0.8 mm逐漸增大到1.2 mm ，物料所受的最大壓力值逐步減小，由12.3 MPa逐步減小到9.7 MPa。顯然，輥隙減小0.1 mm，最大壓力值將會增大近1 MPa，輥隙在很大程度上影響著加工安全。因此，一定要在滿足加工安全的壓力范圍內(nèi)盡可能地減小輥隙，改善物料的塑化質(zhì)量。最大剪切速率也隨著輥隙的增大而逐漸減小，剪切速率越大，剪切作用越強，能夠?qū)⑽锪细玫姆稚?，有利于塑化質(zhì)量的提高，但輥隙的減小會使剪切應(yīng)力有一定程度的降低。

6 結(jié)論

(1)處于兩輥上方并未進入輥隙中的物料，在擠壓力作用下會產(chǎn)生向上的速度，并與靠近輥面處向下運動的物料形成漩渦；三維模型中間部分的物料流速最小，只有輥隙處流速的1.03%，粘度較大，最大粘度值達到1.2×105Pa·s；壓力最大值出現(xiàn)在最小輥隙處；速比為1∶1、輥隙為0.8 mm時，最大剪切速率可達2398 s-1，壓力最大值可達12.3 MPa。

(2)混合指數(shù)基本處于0.5～1.0之間，即物料受到剪切和拉伸的相互作用，處于中間部分的物料主要受到拉伸作用，越靠近輥筒表面，混合指數(shù)越小，即受到的剪切作用更為明顯，在拉伸和剪切作用下，可提高物料的分布和分散混合效果。

(3)增大速比會使剪切應(yīng)力提高，有利于塑化；適當?shù)臏p小輥隙會在一定程度上減小剪切應(yīng)力，但會使剪切速率增大，物料所受壓力大幅增加，輥隙減小0.1 mm，可使物料所受最大壓力增大1 MPa左右。因此，應(yīng)在保證安全的情況下，適度減小輥隙，增大速比，提高物料的塑化質(zhì)量。