大长径比熔铸装药热芯棒凝固工艺优化仿真

2021-02-05岳晓媛张会锁韩雪莲刘红利王彦杰刘恒著刘鹏飞曹红松

高压物理学报 2021年1期

岳晓媛，张会锁，韩雪莲，刘红利，王彦杰，刘恒著，刘鹏飞，曹红松

（1. 中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2. 先进装药技术协同创新中心，山西太原 030051；3. 山西江阳化工有限公司，山西太原 030041）

熔铸装药法具有成本低廉、自动化程度高且不受药室形状限制等优点[1-3]，在军用混合炸药铸装中具有不可替代的地位。但是，传统铸装产品容易出现密度不均匀、缩孔、气孔和底隙等[4-6]质量缺陷，不仅影响爆轰性能，而且影响弹药的使用安全性[7-9]。目前国内外对一些先进的熔铸装药工艺尚缺乏探索，因此，对熔铸装药工艺优化的研究尤为重要。

Wang 等[10]利用软件模拟了加压凝固工艺下炸药的成型过程，发现外加压力可改善药柱缩孔。李敬明等[11]通过模拟炸药的熔铸成型过程，预测了药柱的缩孔形态与位置，并加以实验验证，软件预测的缩孔与实验结果近似，表明软件适用于炸药熔铸成型计算。黄勇等[12]分别模拟了不同冒口保温温度和不同外加压力下炸药的熔铸成型过程，得出了可基本消除药柱缩孔的最佳冒口保温温度和最低外加压力。田勇[13]对炸药熔铸成型过程中的各项参数进行了数值模拟，得出了降低药液黏度或加大冒口漏斗尺寸可降低药柱缩孔率，降低换热系数可改善药柱热应力的结论。然而，目前的研究大多局限于对已有的工艺进行验证或得到某种工艺的最佳参数，缺乏创新性。因此，利用数值仿真对熔铸装药工艺进行优化研究是可行且必要的[14-15]。

液态炸药从注入弹体到降至室温的过程中伴随着液态收缩、凝固收缩(相变收缩)和固态收缩，如果收缩的体积得不到补充，将在最后凝固部位形成缩孔[16]。热芯棒工艺是通过使其周围局部炸药受热重新熔化，保持补缩通道畅通来避免缩孔的产生[17]。

本研究基于传统熔铸装药工艺，对炸药成型过程中的流场和温度场进行耦合计算，验证缩孔形成机理以及传统热芯棒作用机理，通过分析数值模拟结果发现传统热芯棒对于大长径比战斗部装药的不足并对其进行改良，设计出一种优化温度控制的热芯棒系统，通过数值模拟对缩孔缩松形成位置和大小进行预测，证明改良热芯棒的优越性，以期为改良熔铸装药成型工艺提供一个新的方向，对提高熔铸装药质量起到推动和指导作用。

1 熔铸装药工艺仿真与分析

1.1 铸装模型建立

本研究中用于数值模拟的弹丸直径为300 mm，长径比为6∶1，为典型的大长径比装药战斗部。利用三维建模软件UG 建立炸药柱、冒口漏斗、弹体3 部分的模型，分别如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，装配得到的熔铸装药模型如图1(d)所示。

图1 熔铸装药模型Fig. 1 Melt-casting charge model

将模型导入铸造软件ProCAST 的Visual-Mesh 模块中进行画网操作，由于此模型结构并不规则，因此在划分面网格时选择三角形网格，然后划分体网格生成四面体单元。为提高仿真精度，网格尺寸应设置得尽可能小，这里网格尺寸设定为30 mm，总单元数为29 405 180。网格检查无误后保存为.vdb 格式，进入Visual-Cast 模块中进行前处理操作。所用炸药为B 炸药，材料的热物性参数如表1所示，其中：θm为材料熔点，L 为内能，C 为比热容， ρ为密度， μ为黏度， α为线膨胀系数。弹体材料为H13 钢，冒口漏斗材料为铝。炸药、弹体和冒口的初始温度分别设置为95、60 和60 ℃，冷却方式为30 ℃水冷，边界条件在装药伊始进行加载，并作用于整个工艺过程。

表1 材料的热物性参数[18-20]Table 1 Thermo-physical parameters of the materials[18-20]

1.2 传统铸装工艺仿真

在熔铸装药数值模拟过程中，通过完全的Navier-Stocks 流动方程对流体流动和传热进行耦合计算，炸药充型过程中紊流的模拟采用k- ε双方程模型，自由表面的处理采用SOLA-VOF 法；利用热焓法处理凝固过程中的相变潜热，采用双线性强化弹塑性模型描述凝固过程中的应力和应变；用临界固相率与补缩距离法相结合的方式预测熔铸药柱内部的缩孔缩松，并采用Gurson 修正模型来预测裂纹[21]。基于以上计算模型，根据文献[11]中的熔铸装药实验设计仿真模型模拟炸药的熔铸装药过程，从而实现对装药缺陷的预测，并与文献[11]中的实验结果进行对比，如图2 所示。实验结果的CT 扫描显示：装药缺陷出现在炸药顶部且呈漏斗状，与数值模拟得到的缺陷云图显示的缺陷大小和位置基本一致。

对炸药进行传统铸装时，流速设置为0.8 kg/s，充型后自然凝固，后处理中药柱凝固时间、温度以及缩松率云图如图3 所示。图3 中的凝固时间是指凝固过程持续的时间，即各部分的温度保持在固液相线之间的时间。

图2 装药缺陷对比Fig. 2 Comparison of charge defects

图3 熔铸装药后处理云图Fig. 3 Post-processing cloud image of melt-casting charge

为了更好地了解炸药柱内部温度的变化情况，选取4 个温度测试点，其分布如图4 所示。其中：M1 和M4、M2 和 M3 分别位于靠近弹体和靠近炸药柱中心的不同高度，且M1 和M2、M3 和M4 分别处于同一高度。4 个测温点处的温度-时间曲线如图5 所示。

由图3(a)可以看出，自然凝固时，传统铸装药柱的凝固顺序为由外向内平行层凝固，药柱最中心需要2 000 s 以上才可凝固，靠近中心的一层和靠近弹体的一层需要的凝固时间分别为800 和200 s左右。由图3(b)可以看出，在药柱的中心轴线上分布着7 处缩松率达20%以上的疵病，在药柱中段甚至出现了最大直径20 mm 以上、不规则形状的缩孔，这必然会影响弹丸发射的安全性。结合图3(c)和图5 进行分析可知，靠近弹体的外层炸药经过热量传导能够快速冷凝，而外层的凝固阻碍了中心热量向外传导，导致药柱直径最大处温度居高不下，降低到熔点以下需要的时间就会比外层长得多。由于药柱中心的温度长时间高于药柱其他位置，形成了非常大的径向温度梯度，药柱中心会产生巨大的收缩量，而轴向温度梯度很小，补缩通道在凝固之前被堵塞，该收缩量得不到相应的补充，因此形成了图3(b)所示的缩孔缩松。

图4 4 个测温点位置Fig. 4 Location of four temperature measurement points

图5 测温点温度-时间曲线Fig. 5 Temperature-time curves of temperature measurement points

2 传统热芯棒工艺

2.1 热芯棒工艺设计

实际生产中热芯棒工艺的传热过程很复杂，为了提高仿真效率，应作适当的简化。考虑到热芯棒的工作原理是通过不断发热影响炸药柱的温度场分布，从而影响炸药柱的固液相分布，因此将热芯棒部分看作热量源，建立热芯棒模型，如图6 所示。

图6 传统热芯棒工艺铸装模型Fig. 6 Casting model of traditional hot mandrel process

热芯棒和热芯杯的温度设置为90 ℃，根据图3(a)中自然状态下的凝固时间云图来设计热芯棒的位移-时间（x-t）关系，如表 2 所示。

2.2 仿真结果分析

由图7(a)的铸装后处理云图可以看出，在药柱中心处仍然散布着缩松率为20%左右的疵病，在药柱中部甚至有最大直径为28 mm 左右、不规则形状的缩孔，这都是由于补缩通道堵塞引起的补缩不充足导致的。由图7(b)可以看出，药柱最中心需要2 600 s 以上才可凝固，靠近药柱中心的一层和靠近弹体的一层凝固时间分别为1 000 和400 s 左右。这表明加入热芯棒工艺后，由外到内的凝固顺序没有发生改变，因而缩孔缩松仍然难以完全消除。

3 热芯棒优化

3.1 多层次热芯棒的作用机理

炸药熔铸装药在自然状态下由外到内层层凝固，传统的热芯棒工艺只能在一定程度上保持补缩通道畅通，而不能改变药柱径向的凝固顺序。针对传统热芯棒在预防缩孔上的局限性，设计了一种新型的多层次优化的热芯棒，在更大程度上改变熔融态炸药的凝固顺序，从根本上预防缩孔的形成。

表2 热芯棒位移-时间关系Table 2 Displacement-time relationship of the hot mandrel

图7 热芯棒工艺铸装后处理云图Fig. 7 Hot mandrel process casting and post-processing cloud image

3.2 多层次热芯棒的设计

3.2.1 模型结构设计

改良后的热芯棒由3 部分组成：系统最内层、中间层和最外层，分别由1 支、4 支和8 支热芯棒组成，每支热芯棒直径均为10 mm，如图8 所示，分别作用于装药的不同部位，3 部分同时作用，在一定程度上将由外到内的凝固顺序改变为自下而上。将3 部分装配起来得到热芯棒系统，与熔铸装药模型装配后得到改良的铸装模型，如图9 所示。

图8 多层次热芯棒系统组成Fig. 8 Composition of layered hot mandrel system

图9 改良热芯棒工艺铸装模型Fig. 9 Casting model of improved hot mandrel process

3.2.2 工艺参数设计

为了改变炸药的凝固顺序，需要降低药柱的径向温度差，由图5 可以看出，熔铸装药在自然凝固过程中，越靠近弹体位置的温度下降越快。为了降低同一高度的内外层温度差，热芯棒作为热源，由外层到内层需要有一定的温度降。炸药液体的初始温度为95 ℃，为了保证炸药的安全性，设置温度不宜过高，而由表1 可知，炸药的熔点为80 ℃，温度太低会使炸药液过早凝固。因此3 组热芯棒系统的温度设置由外而内分别为：95、89 和 86 ℃，95、91 和 86 ℃，95、92 和 86 ℃。

3.3 结果对比分析

3 组温度设置的改良热芯棒工艺铸装缩松率结果如图10 所示。由图10(a)可以看出，在药柱中心直径最大处仍然分布着缩松率约为13%的疵病，说明大直径处的大收缩量没有得到足够的补充，表明热芯棒系统并没有使同一高度炸药的温度保持一致，因而第1 组温度设置并不合理；由图10(b)可以看出，整个药柱的缩松率均为零，热芯棒系统使得药柱同一高度的径向温度差降低，改变了熔融态炸药由外到内的凝固顺序，缩孔缩松被完全消除，说明此时的热芯棒系统温度设置是合理的；由图10(c)可以看出，第3 组与第1 组的缩松分布结果基本一致，但缩松率明显高于第1 组，因此第3 组的温度设置也不合理。

图10 改良热芯棒工艺铸装缩松率云图Fig. 10 Cloud image of casting shrinkage rate of the improved hot mandrel process

第2 组铸造仿真的凝固时间云图如图11 所示。改良热芯棒系统与传统热芯棒的作用原理不同，改良热芯棒系统中炸药的凝固顺序发生变化，凝固时间最长的位置出现在冒口内部而不是药柱中心，忽略壳体外部炸药，只给出冒口以下凝固时间云图。对比图3(a)和图11 可以看出，改良热芯棒工艺比传统工艺铸装的凝固时间大大缩短，这是由于传统工艺自然冷却时没有外部干预，中心位置传热受阻，长时间处于80 ～ 82 ℃，因此在图3(a)中表现为整体凝固时间较久。而改良工艺后，药液在热芯棒系统作用下有序传热、顺序冷凝，温度很快从液相线以上降到固相线以下，因此整个凝固过程持续的时间相比自然凝固大大缩短。药柱中心层凝固时间为100 s 左右，靠近弹体的一层凝固时间为60 s 左右。对比图3(a)和图7(b)可以看出：药柱自然凝固时，内部凝固时间极差达到1 200 s 以上；采用传统热芯棒工艺时，药柱内部的凝固时间极差可达2 200 s；而采用改良热芯棒工艺后，药柱内外层的凝固时间差仅为40 s 左右。这表明改良热芯棒工艺大大缩短了药柱内外层的凝固时间差。

对第2 组铸造仿真进行测温，仍然选取图4中所示的4 个测温点，得到图12 所示的温度-时间曲线，对比图 5 可以看出，0 s 时测温点 M1～ M4 处的初始温度一致，均为95 ℃左右。

对于靠近弹体的测温点M1 和M4，在熔铸装药自然凝固时，M1 和M4 处温度迅速下降，1 000 s 之内温度从95 ℃下降到40 ℃以下；改良热芯棒工艺铸装时，M1 和M4 处温度下降较慢，降温速率平稳，5 000 s时温度仍在50 ℃以上。这表明改良热芯棒工艺减缓了靠近弹体装药的降温速率。

对于药柱中心的测温点M2 和M3，在熔铸装药自然凝固时，从0 s 开始，M2 和M3 处温度一直保持平稳，3 200 s 之后温度才开始下降；而改良热芯棒工艺铸装时，M2 和M3 处温度从0 s 就开始下降，并且整个过程中M2 和M3 处温度一直呈下降趋势。这表明改良热芯棒工艺使药柱中心温度持续下降。

总体来看，改良热芯棒工艺缩小了药柱中心和靠近弹体炸药液的温度差，改变了熔铸装药自然状态下由外到内的凝固顺序，达到了预期目的。