温度对某含能材料成型模具变形的影响研究
2020-10-26季丹丹岳显黄求安肖勇程林
季丹丹 岳显 黄求安 肖勇 程林
摘要:为了研究温度对某含能材料挤出成型模具内模针挠曲变形的影响,采用数值计算方法对成型模具中药浆的流动过程进行了模拟分析。结果表明:随温度的升高,药浆黏度降低,流动性变好;在一定的药浆入口线速度下,随温度的升高,模针变形量呈线性递减趋势。
关键词:含能材料;模具;变形;数值仿真
0 引言
高质量、高可靠性的含能材料在武器系统中占有举足轻重的地位。国内外研究人员对含能材料混合设备、加工工艺、安全性能等进行了大量研究[1]。成型模具决定了含能材料的形状与尺寸。在成型过程中,药浆在模具内产生各向压力,引发模针变形,造成成型产品结构与设计结构的偏差,影响其燃烧性能。
本文以某含能材料为研究对象,采用数值计算的方法[2]分析了不同成型温度下的药浆流动过程,获得成型温度对模针变形的影响规律,为含能材料成型质量的提高提供理论支撑。
1 计算模型
1.1 流道结构
成型模具是决定含能材料成型形状、尺寸的关键,主要由模体、针架和模针组成。某成型模具具体参数如下:压缩段高度10 mm,成型段长度36 mm、直径11 mm,模针直径1 mm。本文所用模针材料为碳素钢,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.25。药浆流动过程中会对模针表面造成压迫,导致其发生挠曲变形,为此本文采用单向流固耦合方法对药浆流动过程进行分析。以CFX方法分析流道内药浆的流动过程,获得模针表面的压力分布数据,并传递至结构力学分析模块,分析模针在此压力作用下的变形量,药浆的流动均匀性由CFX模块求解获得。流道计算中入口选用的速度入口为0.2 mm/s;出口选用自由出口,其余面均设置为壁面。
考虑到药浆的性能,仿真计算时做如下假设[3]:(1)不考虑挤出过程中的热传递;(2)药浆流动是不可压缩的稳态层流;(3)不计药浆重力和惯性力的影响。
1.2 药浆流变参数
不同加工温度下的药浆流变参数如表1所示。
2 结果分析
2.1 流道压力分布
35 ℃时流道内压力分布如图1所示,可见压力最大值位于药浆入口处,沿药浆的流动方向压力逐渐降低,靠近药浆出口处的流道受压仅为入口处压力的10%左右。
2.2 模针变形分析
模针受压分布如图2所示,可见模针在靠近出口处的受压最小,与针架连接处受压最大。模针变形云图如图3所示,可见由于针架的固定约束作用,模针靠近药浆入口处变形最小,靠近流道出口端则因边界无约束而发生最大变形。图4为模针最大变形量随药浆温度的变化趋势,可见随药浆温度的升高,模针最大变形呈线性递减趋势。由表1中的η0列可见,随温度的升高,药浆黏度降低,流动性变好,贴近流道壁面层低速区域范围减小,流动药浆在模针上的粘附性降低,模针受压减小,模针在药浆压力作用下的变形量随之减小。
2.3 仿真结果验证
本文对不同温度药浆进行挤出成型试验,各工况温度及试验结果如表2所示,同时对各工况进行数值仿真,所得模针变形结果一并列出。由表2可知,随着温度升高,模针实际变形量明显减小。与仿真变形量对比可知,本文所用仿真方法所得结果与实验值吻合,在30 ℃条件下计算值与实验值偏差最大,但低于15%,表明本文的研究方法正确有效,可用于指导含能材料成型研究。
3 结语
针对模针在某含能材料药浆挤出成型过程中发生挠曲变形的情况,本文采用单向流固耦合方法,分析了药浆温度对模针变形量的影响,得到以下结论:
(1)模针出口端受压最小,与针架连接处受压最大。由于针架的固定约束,模针与针架固连处变形最小,靠近流道出口端则因边界无约束而变形最大。
(2)随药浆温度的升高,药浆黏度降低,流动性变好,挤出压力降低,模针最大变形量呈线性递减趋势。
[参考文献]
[1] 杨明金.立式捏合机混合釜内固体推进剂药浆混合的研究[D].武漢:华中科技大学,2008.
[2] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,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
作者简介:季丹丹(1986—),女,江苏南通人,博士,工程师,研究方向:含能材料成型工艺与装备。