可燃容器抽濾模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

杜羽寅，淮文博

（西安理工大學(xué)工程訓(xùn)練國家級實驗教學(xué)示范中心，陜西 西安 710048）

1 前言

模壓可燃軍械元器件可燃藥筒是一種疏松多孔的、非均質(zhì)復(fù)合含能材料且富含親水性纖維，半剛性及燃盡性好，是軍械元器件發(fā)展的主要方向[1]。但是，現(xiàn)有的可燃容器毛坯抽濾模具抽濾成型的壁厚小于1mm的毛坯，其度均勻性差，質(zhì)量偏差大，不能滿足薄壁模壓可燃容器主要質(zhì)量指標(biāo)，嚴重影響容器的燃盡性和彈道性能[2]。

文獻[3]通過數(shù)學(xué)計算分析了容器厚度對多彈道性能的影響規(guī)律。文獻[4]利用稱重法研究了環(huán)境濕度對可燃藥筒燃燒性能的影響規(guī)律；文獻[5]采用數(shù)學(xué)建模與仿真的方法研究了可燃容器對壓力波的影響規(guī)律，為可燃容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。文獻[6]利用實驗比較法研究了藥筒表面空隙特征，為提供藥筒性能提供了依據(jù)。文獻[7]采用實驗方法研究了材料組份對可燃容器力學(xué)性能和可燃性能的影響規(guī)律，優(yōu)化了材料組份結(jié)構(gòu)。文獻[8]提高藥筒燃盡性，在配方中增加含能纖維，提高了藥筒的力學(xué)性能和彈道性能。文獻[9]為提高可燃藥筒力學(xué)強度，在原配方基礎(chǔ)上增加了新型粘結(jié)劑CK，提高了藥筒的韌性及燃盡性。文獻[10]采用氣相色譜法和化學(xué)法測定了可燃藥筒的穩(wěn)定劑含量，用實驗證明了該方法的可行性。上述研究主要從藥筒的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組份、微觀結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素等方面研究可燃藥筒的力學(xué)及燃盡性能，為模壓可燃藥筒的配方與性能研究提供了參考，而對可燃容器毛坯抽濾模具研究的文獻甚少。

為解決壁厚1.8mm以下可燃容器毛坯抽濾困難、厚度不均、質(zhì)量一致性差等問題，提升可燃容器的力學(xué)及燃盡性能，開展了可燃容器抽濾模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，通過改善模具內(nèi)腔結(jié)構(gòu)提高了模具內(nèi)腔流量均勻性，以此來提高抽濾毛坯厚度一致性。首選，通過有限元分析了模具內(nèi)部各層域流量分布狀態(tài)，通過抽濾試驗獲得了模具內(nèi)腔各層域流量補償數(shù)據(jù)，據(jù)此計算了模具內(nèi)腔各層域通流管道幾何尺寸，并通過3D打印技術(shù)制作了新模具，最后，通過抽濾實驗驗證了模具設(shè)計方法的可靠性，為模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

2 模具內(nèi)部流量分布

在原抽濾模具表面微孔幾何特征相同、分布均勻、液體濃度均勻的條件下，抽濾毛坯具有上薄下厚的不均勻特征，即處在液體較深部位的模具表面上成型的毛坯的厚度較大，導(dǎo)致模壓成型的容器合格率低。為研究流量與液體深度的相關(guān)性，開展模具內(nèi)腔流量有限元仿真。仿真初始條件：進口壓力：大氣壓，壓力出：0.08MPa，模型為k?ε紊流模型，液體采用水。仿真結(jié)果，如圖1所示。高度與流量之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 模具內(nèi)腔流量分布狀態(tài)Fig.1 Flow Distribution in Die Cavity

圖2 流量隨高度變化趨勢Fig.2 Flow Trend with Height

經(jīng)計算，流量與深度的線性相關(guān)系數(shù)為ρ=0.943，可見流經(jīng)小孔的流量與液體深度呈高度線性相關(guān)性，表明隨著液體深度增加模具內(nèi)腔流量也增加，沉積在模具表面的纖維材料也增加，導(dǎo)致毛坯厚度增加。因此，需要改善抽濾毛坯厚度均勻一致性就必須使模具內(nèi)腔不同高度流量均勻一致。所以，提出基于細長管流量規(guī)律改進模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法來提高模具內(nèi)腔流量均勻一致性，該方法簡單可行，成本低。

3 模具內(nèi)部流量補償方法

3.1 流量補償方法

根據(jù)細長管流量式（1）可知流量與細長管直徑、長度的關(guān)系，則改變細長管的長度與直徑可以改變流量大小。因此，提出將模具內(nèi)腔劃分頂層、上層、下層、底層共四個層域，如圖3所示。每個層區(qū)域接通一根細長管，調(diào)節(jié)細長管長度和直徑可以使得每個層域流量大小一致。

圖3 模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal Structure of the Die

式中：d、l—管道孔徑、長度/mm；μ—液體粘度/Pa·s；Δp—管道出入口壓差/MPa。

為節(jié)約模具內(nèi)腔空間，較細的管子嵌套在較粗的管子內(nèi)，則粗管的有效通流橫截面積為粗管橫截面積減去細管橫截面積。

已知原模具真空抽濾管道公稱直徑為32mm，模具抽濾總流量，如式（2）所示。

式（2）表示將模具內(nèi)腔分為4層，四個層域流量是相等的，則模具頂層管道理論直徑為：

為保證足夠的流量通過，所以在設(shè)計時頂層管道直徑實際取值為：d1=25mm>22.6mm，得到頂層通流管道的關(guān)鍵尺寸d1后，下面討論如何獲得其它各層域通流管道有效直徑和長度。

3.2 流量采集實驗

為了獲得各層域補償流量關(guān)系，進行抽濾試驗，試驗方案，如圖4所示。將原模具內(nèi)腔劃分為四個層域，各層域接通流量計、比例閥，如圖5所示。

圖4 流量采集實驗原理Fig.4 Experimental Principle of Flow Rate Acquisition

圖5 流量采集實驗現(xiàn)場Fig.5 Experimental Site of Flow Rate Acquisition

由于原模具內(nèi)腔四個層域流量不相等，所以在節(jié)流閥開口大小相同的情況下，通過的流量必然不同；調(diào)節(jié)各管道上的節(jié)流閥使得其通過流量相等，即q1=q2=q3=q4，則可獲得各節(jié)流閥開口大小，根據(jù)各節(jié)流閥開口大小可間接獲得原模具內(nèi)腔各層域?qū)嶋H流量。然后，保持各節(jié)流閥開口大小不變并將其接通至同等條件的管道，通過流量計測量各節(jié)流閥的流量，該流量就是原模具各層域的補償流量；由于節(jié)流閥開口不同，通過其流量也不同，則通過各節(jié)流閥的流量的比值即就是模具內(nèi)腔各層域補償流量的比值。通過該比值可以計算獲得各層域通流管道的直徑和長度，利用各層域通流管道可以調(diào)節(jié)模具內(nèi)腔流量使之均勻，這就是新模具設(shè)計思想。按照上述試驗方法獲得各層域流量補償比例為Δq1=Δq2=Δq3=Δq4=10:7:2.85:2.15。

根據(jù)式（1）細長管流量公式可得四個層域通流管道尺寸關(guān)系，如式（3）所示。

由此可知，將流量補償比值可以轉(zhuǎn)化為通流管道的有效通流直徑和長度之間的比例關(guān)系，則可以在原模具內(nèi)腔四個層域增加通流管道，來調(diào)節(jié)四個層域流量使之相等，從而獲得厚度均勻一致的可燃容器毛坯。按照這種思路在原模具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可以設(shè)計新的可燃容器毛坯抽濾模具。

3.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述流量比例可以確定通流管道有效直徑與長度的比例關(guān)系；如果知道某一層通流管道的有效直徑和長度，則可以計算得到其它層域通流管道有效直徑和長度。根據(jù)模具外形尺寸，可知頂層管道幾何尺寸：d1=25mm，l1=188.4mm，上層管道長度取值為l2=142mm，則有式（4）所示關(guān)系。

根據(jù)式（4）可得上層通流管道有效直徑d2。由于d2包含了頂層管道，則上層通流管道有效截面積，如式（5）所示。

根據(jù)式（5）求得上層通流管道實際直徑d2實際=37.6mm。同理可得其它層域通流管道的實際尺寸和有效尺寸。利用3D打印技術(shù)制作的新模具，如圖6所示。

圖6 改進模具Fig.6 The Improved Die

4 新模具抽濾實驗

為驗證所提方法的可靠性，利用新模具和原模具開展抽濾試驗。一是檢測各層域流量，二是檢測抽濾毛坯厚度均勻性。利用3.2抽濾試驗方法獲得各層域流量，如表1所示。將表1流量數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖7所示?？梢钥闯鲈＞咴诟叨确较蛏狭髁坎畋容^大，流量曲線梯度大；新模具流量曲線變化梯度小，曲線平坦，流量差很??；流量數(shù)據(jù)證明改進的新模具對流量均勻性有顯著改善作用。

圖7 流量變化趨勢Fig.7 Change Trend of Flow

表1 優(yōu)化前后模具各層域流量Tab.1 Flow Rate of Each Layer of Die Before and After Optimization

進行毛坯抽濾試驗，抽濾時間3s，液體濃度3%。抽濾的毛坯模壓后質(zhì)量一致性較好，各部位密度均勻一致，壁厚減薄到1mm左右，符合質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，如圖8所示。

圖8 模壓容器實物Fig.8 Molded Containe

上述實驗結(jié)果證明所提抽濾模具設(shè)計方法是可靠的，并且簡單可行，經(jīng)濟節(jié)約。

5 結(jié)論

為提高可燃藥筒毛坯厚度均勻一致性，研究了模壓可燃容器毛坯抽濾模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，獲得以下結(jié)論：

（1）通過有限元仿真了模具內(nèi)部流量分布狀態(tài)；結(jié)果表明隨液體深度增加，模具內(nèi)腔流量呈增大趨勢，且與液體深度線性相關(guān)系數(shù)為ρ=0.943。

（2）將原模具內(nèi)腔劃分成4個層域，通過抽濾試驗獲得了各層域流量補償數(shù)據(jù)，為模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

（3）利用細長管流量公式和流量補償數(shù)據(jù)，計算獲得了新模具各層域通流管道有效尺寸，并利用3D打印技術(shù)制作了新模具。

（4）利用新模具抽濾實驗獲得的毛坯厚度與質(zhì)量分布均勻，符合質(zhì)量指標(biāo)，驗證了所提新模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是可靠性。