七孔变燃速发射药挤出胀大的模拟

2015-07-01马忠亮

兵器装备工程学报 2015年4期

柴俊，马忠亮

(中北大学化工与环境工程学院，太原 030052)

多孔发射药除了有从外表面向内减面燃烧的过程之外，同时还有从内孔表面逐层向外增面燃烧的过程，这样使得多孔发射药表现出先增面燃烧而后减面燃烧的特性。变燃速发射药是一种采用物理复合的方式制备而成的具有高燃烧渐增性的发射药，内层为高能量层，外层为低能量层。其能量释放规律具有可调节性，适应更广泛的武器需求。七孔变燃速发射药有效地结合了多孔火药和变燃速发射药的特性，燃烧时燃速会发生突跃性变化，使其兼具高能量与高渐增性的特性［1-3］。马忠亮等的研究表明药型尺寸对变燃速发射药的燃烧渐增性能有着重要的影响［4］。研究七孔变燃速发射药挤出过程中尺寸的变化对指导生产七孔变燃速发射药有着重要的意义。刘林林等对不同操作条件下药料流动情况进行了三维数值模拟［5］。马忠亮等通过不同操条件下挤出物共挤段流动情况的模拟，研究了连续化生产工艺中变燃速发射药尺寸波动的影响因素［6］。程山等对标准七孔发射药以及不同内外层火药力和不同内外层燃速比的七孔变燃速发射药的内弹道性能进行了数值计算［7］。但是还未见七孔变燃速发射药挤出过程中口模流道内的流动情况进行研究的报道。研究中应用POLYFLOW 软件模拟了七孔变燃速发射药在口模中的三维等温共挤出过程，讨论了壁面滑移系数对七孔变燃速发射药共挤界面变化、挤出胀大的影响。

1 有限元分析

1.1 几何模型

图1 为七孔变燃速发射药共挤出流道的二维几何模型，共挤出流道分为进料区、共挤区和挤出胀大区三段。七孔变燃速发射药口模中心孔和边孔直径R1=0.2 mm，内层厚度H内=2.2 mm，外层厚度H外=0.1 mm，共挤区L，挤出胀大区取5 mm。在变燃速发射药间断式成型用机头的基础上进行建模。由于流道是轴对称锥形结构，因此在对该模具进行数值模拟时，将流道模型进行一定的简化，同时将流道模型简化成1/4 进行计算。

图1 共挤流道模型

1.2 材料特性

外层物料采用含35%乙基纤维素(EC)的单基发射药，内层物料为含有20%细黑索金(RDX)的单基发射药，采用MLW-400 型防爆流变仪对内外层物料进行流变特性测试。用Bird-carreau［6］模型描述变燃速发射药内外层物料的流变学特征，即聚合物的黏度与剪切速率有如下关系

式中:η0为零剪切黏度;λ 为时间常数;n 为非牛顿指数。

利用POLYFLOW 软件的polymat 模块选择Bird-carreau law 模型对流变数据拟合，拟合结果见表1 所示。

表1 变燃速发射药内层、外层的材料参数

1.3 条件设置及算法

本研究主要探讨在入口流量比一定下，口模长径比和壁面滑移系数对变燃速发射药共挤时的界面半径和挤出胀大的影响。在研究壁面滑移因素时，滑移模型采用广义Navier’s 模型［7］

式中:τs为与模具壁面接触的流体表面的切向应力;vs为与模具壁面接触的流体表面的切向速度; fk为滑移系数。分别选择滑移系数fk=108; fk=109; fk=1010; fk=1011; fk=1012为研究对象。

求解过程中采用Evolution 方法解决模拟过程中的非线性问题，采用二次等参元法求解速度场，线性等参元法求解压力场，并用Picard 迭代方法进行迭代。

定义离模膨胀率

式中:B 为胀大比;D 为挤出产品尺寸。

2 结果与讨论

2.1 壁面滑移动系数对界面的影响

从图2 中可以看出，在共挤区，随着滑移系数fk 越小，模具越光滑，壁面摩擦力越小，剪切作用越小，流体内部速度分布越均匀，导致界面向内层偏移量越小。不同摩擦系数的出口速率分布如图3 所示，当fk=108时，流体与模具接近全滑移，界面半径变化最小，减小了0.02 mm;当fk=1012时，流体与模具接近于无滑移，界面半径变化最大，减小了0.27 mm。在模具出口处，随着滑移系数fk越大，流体内部速度分布越不均匀，在垂直于流动方向上的速度梯度增大，导致流体离开口模后在挤出胀大区的胀大率增大，界面半径随着流体的胀大而变大。当fk=108时在挤出胀大区，由于几乎无挤出胀大所以界面半径几乎没有发生变化;当fk=1012时，界面随着挤出胀大率的增加发生严重的偏移，界面半径增大约0.32 mm。