基于Workbench多孔發射藥擠壓模具結構參數的分析

陳富華，胡小秋，劉志濤

(南京理工大學 a. 機械工程學院；b. 化工學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前多孔發射藥的成型都是通過溶劑法制得[1]。由于現有模具結構的不完善造成了發射藥制品存在諸多的問題，尤其是發射藥成品的孔距和致密度不均勻，影響著發射藥能量的釋放規律[2]。而模具的設計仍是采用“設計—試驗—修改再設計—再試驗”的模式，造成生產資源的浪費。為了提高發射藥的質量，優化模具結構就變得尤為重要。目前關于發射藥成型工藝的研究更多的是針對擠壓發射藥粘彈性和擠壓壓力的分析[3-6]，而對于黏彈性材料成型模具的設計研究卻很少。為節約模具設計周期和減少制作成本，提高發射藥的生產效率，可采用仿真法進行模具結構參數的優化[7]。

影響擠壓藥質量的因素主要有擠壓藥的物理、化學參數和擠壓模具參數,而模具參數以收縮角和成型段長度最為重要。為了合理評價發射藥的成型質量特別是擠壓成品的孔距和致密度，選用了2個評價的指標：1) 擠壓過程中的成型壓力，應使成型壓力在臨界壓力下較大且均勻性好，以保證成品的致密性；2) 模具針架的變形，要使針架的變形最小，以保證孔距的均勻。為簡化仿真過程，將指標1列為約束條件，指標2為目標函數。

1 擠壓成型過程的仿真模型

1.1 擠壓藥及模具的幾何模型

運用Creo軟件建立的多孔擠壓藥擠壓模具的三維模型如圖1所示，多孔模腔的二維尺寸如圖2所示。

圖1 模具幾何模型

圖2 多孔模腔二維圖

圖2中，D1為收縮段入口處直徑；L1為收縮段長度；L2為成型段長度；α為收縮角。

1.2 擠壓藥及模具的網格模型

對擠壓藥幾何模型和模具幾何模型進行網格的劃分，分別如圖3和圖4所示。

圖3 多孔擠壓發射藥模具網格模型

圖4 模具內擠壓藥的網格模型

1.3 擠出過程的基本假設

基于質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律的連續性方程、運動方程和能量方程構成了解決擠壓藥流動問題的基本控制方程,加上反映擠壓藥流體自身特性的本構方程,從理論上可以對其求解。但由于擠壓藥模具流道結構的幾何非線性和高聚合物的材料非線性,很難直接從上述方程組中求解。為此,必須對問題作適當的工程簡化,考慮到擠壓藥擠出過程的具體工藝條件和材料自身特性,作出如下假設[5-6]:

1) 擠壓藥藥料為不可壓縮的高黏性非牛頓流體；2) 在藥模中發射藥藥料為等溫流動的冪率非牛頓流體；3) 由于雷諾數較小，發射藥為穩態層流流動且藥料充滿在整個模具中；4) 擠壓藥在流道壁上為無滑移流動；5) 由于慣性力、重力相對于黏性力很小，故忽略不計。

在這些假設條件下,得到擠壓藥在模具流道中流動的控制方程和本構方程[7]。

1.4 發射藥性能參數及模具的主要結構參數

擠壓藥溶劑比為0.2和溫度為25℃時，剪切黏度為2 000 Pa·s，密度為1 500kg/m3，最優成型段長度和收縮角見表1。

表1 多孔發射藥單變量最優模具結構參數

2 基于全因素法的模具結構參數最優組合與擠壓試驗

應用控制單因素僅得到單變量最優參數并未得到最優的模具參數，因此有必要選出單變量最優參數，采用全因素分析法進一步優化模具的結構參數。

2.1 單因素變量最優參數組合

選取成型段和收縮角的最優參數進行全因素組合見表2。

表2 單變量最優參數組合

2.2 仿真分析及最優參數的確定

1) 模腔內擠壓藥壓力的分布

通過分析在不同參數組合的條件下模具中擠壓藥的壓力分布情況，得到圖5和圖6。圖5所示為擠壓藥的壓力分布云圖，圖6所示為以模具出口中心處為坐標原點，沿Z軸向的擠壓藥從入口到出口的壓力分布曲線圖。

由圖5和圖6可知從入口到出口壓強呈下降的趨勢，在入口處壓強趨于平緩，收縮段時壓力下降的趨勢在增大，成型段壓強減小趨勢近似不變；可以看出成型段的變化對入口壓力的影響較大。

圖5 擠壓藥在模具中的壓力云圖

圖6 不同條件下擠壓藥在模具中的壓力分布圖

2) 針架系統的變形分析

經仿真分析得到模具針架系統的最大變形柱狀圖如圖7。

由圖7可知，成型段長度對針架系統變形的影響十分明顯；隨著收縮角度的增加針架系統最大變形量在減小。

成型段長度對擠壓壓力和針架系統變形的影響十分明顯。均衡壓力和變形選擇最優的參數組合為成型段長度35mm，收縮角度55°。此組合下得到的針架系統的變形量最小且壓力分布適宜。

3 擠壓試驗

采用最優參數組合加工新的模具。應用新模具擠壓出的發射藥如圖8所示，圖8(a)是原模具擠出的成型擠壓藥，圖8(b)是最優參數模具擠出的擠壓藥。擠壓藥出了模具出口后會發生由內向外的膨脹，可以抵消一部分因針架收縮變形導致的藥孔內聚。因此成型藥的藥孔內聚變形會小于出口時的變形。

圖8 擠壓成型藥

4 結語

1) 建立了多孔擠壓發射藥模具的三維幾何模型、擠壓藥在模腔內成型過程的數學模型和物理模型，通過ANSYS Workbench軟件中流固耦合模塊進行擬合，獲得模擬所需要的Pawer-law模型參數。

2) 利用全因素參數優化選出最優參數組合為：成型段長度35 mm,收縮角55°。

3) 應用最優參數組合制作模具，進行擠壓藥的試驗,得到的擠壓藥孔分布更加均勻，密實性也得到一定的提高。

參考文獻:

[1] 韓博. 高增面性大弧厚硝基胍發射藥工藝技術研究[D]. 南京:南京理工大學,2009.

[2] 王澤山，歐育湘，任務正. 火炸藥科學技術[M]. 北京：北京理工大學出版社. 2002.

[3] Baris Kalaycioglu, M. Husnu Dirikolu 1, Veli ?elik 1. An elasto-viscoplastic analysis of direct extrusion of a double base solid propellant[J]. Advances in Engineering Software, 2010 (41): 1110-1114.

[4] ZHONG Tingting, RAO Guoning, PENG Jinhua. Numerical simulation of three dimensional flow fieldV for extrusion process of GR-35 double-base propellant[J]. Procedia Engineering, 2014,84: 920-926.

[5] 張丹丹，何衛東. 硝基胍七孔發射藥擠壓成型過程的數值模擬[J]. 火炸藥學報,2014，37(6): 82-86.

[6] 劉林林，馬忠亮，高可政，等. 變燃速發射藥擠出過程中藥料流動計算研究[J]. 含能材料,2010,18(5): 583-586.

[7] YU Ying，WANG Jia，GONG Yu-guang，et al. The finite analysis and optimization of head runner of rubber sheeting extruder [J]. Key Engineering Material,2013,561:25-29.