改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的數(shù)值模擬①

英 飛，薛曉俊，潘浩東，尹艷華

(北京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，北京 102488)

0 引言

近代推進(jìn)劑的制造始于19世紀(jì)80年代，主要使用擠壓成型工藝。擠壓成型工藝制造的推進(jìn)劑致密性好，質(zhì)量均勻、重現(xiàn)性好，生產(chǎn)周期短；但生產(chǎn)過程間斷，只能制造小尺寸的藥柱[1-3]。第二次世界大戰(zhàn)期間，澆鑄工藝逐漸發(fā)展起來。澆鑄工藝可以制造大型及復(fù)雜形狀的藥柱，但該工藝存在藥柱機(jī)械性能較差、燃燒穩(wěn)定性較差、固化時(shí)間長等問題[4-5]。20世紀(jì)70年代，美國雷德福兵工廠使用單螺桿擠出工藝完成了單、雙、三基藥的大規(guī)模批量生產(chǎn)，但是該工藝不能適用于高填料的推進(jìn)劑配方，并且加工過程的能耗較高[6-7]。1982年，德國代拿買諾貝爾公司使用雙螺桿擠出機(jī)完成了雙基推進(jìn)劑的制造。雙螺桿擠出工藝可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化的供料與出料，提高了生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)過程中的安全性，并且具有廢液、廢氣排放量少，混合效率高的優(yōu)點(diǎn)[8-10]。壓延工藝借助于壓延機(jī)兩個(gè)輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切擠壓力，配以相應(yīng)的加工溫度，使粘彈性物料多次受到剪切擠壓和延展作用，完成塑化過程，提高材料的可塑性[11]。

剪切壓延機(jī)基于壓延機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)，摒除它們的缺點(diǎn)，結(jié)合并保留了它們的優(yōu)點(diǎn)。剪切壓延機(jī)包括兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的輥筒，工作輥(U型輥)和自由輥(V型輥)，輥筒表面置有不同形狀、不同數(shù)量、不同螺旋角的凹槽，兩輥在不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。改性雙基推進(jìn)劑吸收藥料通過加料系統(tǒng)均勻、連續(xù)地進(jìn)入剪切壓延機(jī)兩個(gè)輥筒之間，藥料包裹在工作輥上，沿輥筒軸向向前輸送，藥料在兩個(gè)輥筒之間受到加熱作用和剪切擠壓作用，進(jìn)行驅(qū)水干燥、混合和塑化，并得以壓實(shí)、平展，由疏松態(tài)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)致密的塑化態(tài)，在出料口經(jīng)造粒機(jī)切割成藥料豆粒。

剪切壓延機(jī)加工改性雙基推進(jìn)劑的生產(chǎn)路線較短，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)，并且大大提高了混合效率和塑化性能。但是目前對(duì)于剪切壓延機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的選擇仍然憑借加工經(jīng)驗(yàn)來確定，具有較大的盲目性，并且耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金。因此，本文將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)方法引入到對(duì)改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的研究中，利用合適的CFD軟件包對(duì)該過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該過程的流動(dòng)規(guī)律及其影響因素，為剪切壓延機(jī)的優(yōu)化提供參考。

自1970 年以來，人們開始應(yīng)用CFD軟件對(duì)高分子聚合物加工過程的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到流動(dòng)過程中各物理量場(如溫度場、壓力場、剪切速率場、粘度場等)的數(shù)值及圖像結(jié)果，幫助分析研究系統(tǒng)中存在的問題并提出優(yōu)化。Zhong Tingting等使用POLYFLOW軟件模擬GR-35雙基推進(jìn)劑的螺旋擠壓過程，結(jié)果表明，溫度、壓力、剪切速率在螺旋推進(jìn)器處具有最大值，在增大擠出出口產(chǎn)量的同時(shí)必須注意安全性[12-13]。馬忠亮等使用POLYFLOW軟件分別對(duì)溶劑與硝化棉的體積比為1.35∶1和1.50∶1的單基推進(jìn)劑在不同工藝條件下的全流道流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，變?nèi)妓賳位七M(jìn)劑交界面半徑的波動(dòng)值隨螺桿轉(zhuǎn)速波動(dòng)的增加和入口壓力波動(dòng)的增加而增大，皮料選擇溶劑/硝化棉體積比較大的藥料、芯料選擇溶劑/硝化棉體積比較小的藥料有利于提高變?nèi)妓賳位七M(jìn)劑連續(xù)加工過程中的尺寸一致性[14-15]。He Zhongqi等使用POLYFLOW軟件模擬研究固體推進(jìn)劑代料單螺桿擠出過程中的流變參數(shù)的分布，結(jié)果表明，螺桿轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致流體溫度和壓力的增加[16]。Zhou Ke等使用POLYFLOW軟件對(duì)推進(jìn)劑的單螺桿擠出過程進(jìn)行建模和分析，結(jié)果表明，推進(jìn)劑藥料的粘度隨螺桿的幾何特性出現(xiàn)周期性波動(dòng)，呈現(xiàn)"剪切變稀"的特性，在加工過程中提高螺桿轉(zhuǎn)速，有利于提高推進(jìn)劑藥料的混合效率和塑化質(zhì)量，但是會(huì)導(dǎo)致壓力和溫度的升高[17]。彭昭宇等應(yīng)用POLYFLOW軟件對(duì)典型含能材料的壓延塑化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究速度場、壓力場、剪切速率場、粘度場和混合指數(shù)場等特征量與塑化效果之間的關(guān)系[18]。趙玉蓮等使用POLYFLOW軟件對(duì)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行非等溫?cái)?shù)值模擬，對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速對(duì)加工效果的影響[19]。

1 剪切壓延機(jī)幾何模型的建立

本文使用Pro/Engineer軟件建立剪切壓延機(jī)的幾何模型。

1.1 U型輥幾何模型的建立

根據(jù)剪切壓延機(jī)U型輥的直徑、長度、槽寬、槽深和槽數(shù)等參數(shù)值，建立輥筒的幾何模型(圖1)。從圖1中可看出，U型輥的凹槽形狀為矩形，凹槽方向遵循右手螺旋定則。

圖1 U型輥表面的凹槽結(jié)構(gòu)Fig.1 Grooves on the surface of U-shaped roll

1.2 V型輥幾何模型的建立

V型輥幾何模型的建立方法和U型輥的基本一致，區(qū)別在于V型輥表面凹槽的數(shù)量和形狀(圖2)。從圖中2可看出，V型輥的凹槽形狀為直角三角形，凹槽方向遵循左手螺旋定則。

圖2 V型輥表面的凹槽結(jié)構(gòu)Fig.2 Grooves on the surface of V-shaped roll

2 剪切壓延機(jī)幾何模型的有限元網(wǎng)格劃分

剪切壓延機(jī)體積較大，其輥筒長度范圍為500～900 mm，輥筒半徑范圍為350～400 mm；同時(shí)兩個(gè)輥筒表面開鑿出的大量螺旋上升的不同形狀的凹槽大大增加了剪切壓延機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得許多常用的網(wǎng)格劃分軟件與方法無法適用于剪切壓延機(jī)的幾何模型。本文通過大量研究，找到了適用于該模型的網(wǎng)格劃分方法，并在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量、提高了網(wǎng)格精度，以降低模型計(jì)算成本，提高模擬計(jì)算分析的質(zhì)量和效率。

本文使用HyperMesh軟件對(duì)剪切壓延機(jī)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

2.1 U型輥幾何模型的網(wǎng)格劃分

2.1.1 幾何優(yōu)化

將在Pro/Engineer軟件中建立的U型輥幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中。剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒在改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程中作為剛性整體，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)推進(jìn)劑藥料產(chǎn)生剪切擠壓作用力并與推進(jìn)劑藥料進(jìn)行熱量傳遞使藥料溫度升高。因此，在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，可適當(dāng)切割一部分輥筒的實(shí)心結(jié)構(gòu)，以減少不必要的網(wǎng)格數(shù)量，從而降低模型計(jì)算成本，提高模擬計(jì)算分析的質(zhì)量和效率。使用HyperMesh軟件中幾何處理功能中的boolean運(yùn)算進(jìn)行幾何體的切割(圖3)。

2.1.2 2D網(wǎng)格的劃分

從圖3中可看出，U型輥的上表面并不是一個(gè)規(guī)則的平面圖形，如果直接進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格不均勻，進(jìn)而降低3D網(wǎng)格的質(zhì)量，不利于后續(xù)的求解計(jì)算。因此，需要先將該平面分割成若干規(guī)則的小四邊形，然后再對(duì)各個(gè)小四邊形進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分(圖4)，從圖中可看出，U型輥的2D網(wǎng)格均為四邊形元素。

圖3 U型輥幾何切割圖Fig.3 Geometric cutting of U-shaped roll

圖4 U型輥的2D網(wǎng)格Fig.4 2D mesh of U-shaped roll

2.1.3 3D網(wǎng)格的劃分

在進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分之前需要先沿垂直軸向?qū)⑤佂策M(jìn)行分段，然后再分別對(duì)各段輥筒進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分。

在第一段輥筒的外表面上任選一條凹槽棱邊，生成若干個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)(圖5(a))；將最下方的點(diǎn)復(fù)制平移到輥筒上表面(圖5(b))；按照綠點(diǎn)→藍(lán)點(diǎn)→紅點(diǎn)的順序測(cè)量上表面上的三個(gè)點(diǎn)形成的銳角角度值(5(c))。

(a)Creating nodes (b)Projecting the nodes (c)Selecting the nodes圖5 測(cè)定旋轉(zhuǎn)角度Fig.5 Mearsuing the rotation angle

使用軟件的“translate”功能，將2.1.2中劃分的2D網(wǎng)格復(fù)制平移到第一段輥筒的下表面，使用“rotate”功能對(duì)下表面的2D網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為圖5中測(cè)定的角度值。然后使用軟件的“solid map”中的“l(fā)ine drag”方法，利用生成的2D網(wǎng)格和點(diǎn)軌跡，進(jìn)行第一段輥筒的3D網(wǎng)格劃分(圖6)。

圖6 U型輥第一段的3D網(wǎng)格Fig.6 3D mesh of the first segment of U-shaped roll

重復(fù)上述步驟，直至完成整個(gè)U型輥的3D網(wǎng)格劃分(圖7)。從圖中7可看出，U型輥的3D網(wǎng)格均為六面體，六面體網(wǎng)格可以大大減少模型的網(wǎng)格數(shù)量，并且提高求解過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖7 U型輥的3D網(wǎng)格Fig.7 3D mesh of U-shaped roll

2.2 V型輥幾何模型的網(wǎng)格劃分

V型輥的網(wǎng)格劃分方法與U型輥的基本一致。區(qū)別是V型輥表面的凹槽形狀為直角三角形，因此其2D網(wǎng)格除了四邊形元素以外，還存在三角形元素(圖8)。

圖8 V型輥的2D網(wǎng)格Fig.8 2D mesh of V-shaped roll

為對(duì)剪切壓延機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，需要進(jìn)行大量不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的剪切壓延機(jī)加工改性雙基推進(jìn)劑過程的模擬計(jì)算，通過求解結(jié)果的分析與比較，選擇較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，為實(shí)際設(shè)備優(yōu)化提供參考。1.1節(jié)和2.1節(jié)中概述的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法可以應(yīng)用到各種不同結(jié)構(gòu)的剪切壓延機(jī)中，并可為其他形狀復(fù)雜的設(shè)備的有限元分析提供參考。

3 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程模擬計(jì)算

3.1 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的數(shù)值模型

使用1.1節(jié)和2.1節(jié)中概述的方法，建立剪切壓延機(jī)和推進(jìn)劑的幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分(圖9)。然后，將其導(dǎo)入到POLYFLOW軟件中進(jìn)行裝配(圖10)。剪切壓延機(jī)的U型輥和V型輥關(guān)于Y軸對(duì)稱，輥筒直徑為350 mm，輥筒長度為500 mm，出口邊界位于XZ(Y=0)平面。

(a)U-shaped roll (b)V-shaped roll (c)Fluid圖9 網(wǎng)格模型Fig.9 3D mesh

圖10 U型輥、V型輥、物料層模型裝配Fig.10 Assembly of U-shaped roll,V-shaped roll and fluid

改性雙基推進(jìn)劑藥料的物性參數(shù)和剪切壓延機(jī)的設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)分別如表1～表3所示。

表1 藥料物性參數(shù)Table 1 Properties of propellant

表2 剪切壓延機(jī)設(shè)備參數(shù)Table 2 Parameters of shear calender

表3 剪切壓延機(jī)工藝參數(shù)Table 3 Parameters of shear calender

物料層的邊界設(shè)置如圖11所示。物料層的邊界條件設(shè)置如表4所示。剪切壓延機(jī)為開放式結(jié)構(gòu)，因此物料層的外層邊界和出口邊界的流動(dòng)邊界條件均設(shè)置為大氣壓的壓力條件，外層邊界的熱邊界條件設(shè)置為與空氣的對(duì)流傳熱條件。

圖11 物料層邊界設(shè)置Fig.11 Boundaries of fluid

表4 物料層邊界條件設(shè)置Table 4 Boundary conditions of fluid

3.2 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的模擬結(jié)果及分析

使用POLYFLOW軟件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行求解計(jì)算，根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果分析改性雙基推進(jìn)劑藥料剪切壓延過程的流動(dòng)規(guī)律及其影響因素。

3.2.1 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的速度分析

速度分布對(duì)于推進(jìn)劑藥料的成型加工質(zhì)量具有直接的影響，如果速度分布差異較大，藥料容易發(fā)生局部變形，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能，高質(zhì)量成型要求的藥料必須保證在加工過程中具有較好的速度均勻性。改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面速度分布云圖分別如圖12(a)、(b)所示，輥隙區(qū)域速度分布矢量圖如圖12(c)所示，圖12中的灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。

(a)Contour of velocities on XZ plane (b)Contour of velocities on XY plane (c)Vector ofvelocities in nip region圖12 速度分布示意圖Fig.12 Velocity distribution

由圖12(a)、(b)可知，XZ平面的速度關(guān)于輥隙區(qū)域呈近似對(duì)稱分布；藥料在進(jìn)入輥隙區(qū)域時(shí)，由于受到兩輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力和擠壓力，運(yùn)動(dòng)阻力驟然增大，速度有所減小；進(jìn)入輥隙區(qū)域后，在兩輥筒的剪切擠壓作用下，進(jìn)行強(qiáng)制輸送，流速明顯增大。輥隙區(qū)域內(nèi)靠近輥筒表面的藥料速度較小，中心部分速度較大，這是因?yàn)榕c輥筒表面接觸的藥料的速度幾乎與輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的速度相同，該速度與藥料強(qiáng)制輸送的速度相比較小。由圖12(c)可知，輥隙區(qū)域的速度方向與輥筒旋轉(zhuǎn)方向一致，并且具有較好的均勻性，有利于提高產(chǎn)品成型質(zhì)量。

從物料進(jìn)口邊界處每隔20 mm建立一系列與Y軸垂直的平面，計(jì)算各平面的平均速度，圖13為藥料平均速度沿Y軸的變化。由圖13可知，由于進(jìn)出口效應(yīng)的影響，進(jìn)出口區(qū)域的速度變化相對(duì)較大，忽略進(jìn)出口效應(yīng)之后，流動(dòng)過程中的平均速度變化較平穩(wěn)；由于藥料在兩輥筒的剪切擠壓作用下，進(jìn)行強(qiáng)制輸送，流動(dòng)過程中的平均速度隨Y軸距離的減小略有增大，即藥料速度沿輥筒輸送方向略有增大。

圖13 平均速度沿Y軸的變化Fig.13 The change of average velocity along Y-axis

3.2.2 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的壓力分析

改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面壓力分布云圖如圖14所示，灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。從物料進(jìn)口邊界處每隔20 mm建立一系列與Y軸垂直的平面，計(jì)算各平面的平均壓力，圖15為藥料平均壓力沿Y軸變化。

(a)On XZ plane

(b)On XY plane圖14 壓力分布云圖Fig.14 Contour of pressure

圖15 平均壓力沿Y軸的變化Fig.15 The change of average pressure along Y-axis

由于剪切壓延機(jī)為開放式設(shè)備，藥料在加工過程中所受到的壓力主要來自于兩輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切擠壓作用，因此輥隙區(qū)域的壓力明顯高于其他區(qū)域。藥料在進(jìn)入剪切壓延機(jī)時(shí)，壓力梯度較大，沿藥料的輸送方向，壓力梯度逐漸減小，加工過程中無壓力突變行為，藥料所受壓力變化較平穩(wěn)，說明剪切壓延過程的安全性較高。

3.2.3 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程剪切速率分析

藥料的剪切速率越大則粘性生熱越多，一方面使藥料溫度升高，另一方面導(dǎo)致熱量堆積，形成“熱點(diǎn)”，容易引起藥料的著火、燃爆，降低生產(chǎn)過程的安全性；同時(shí)，如果剪切速率分布差異較大，會(huì)影響藥料加工成型的質(zhì)量。改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面剪切速率分布云圖如圖16所示，圖中的灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。從物料進(jìn)口邊界處每隔20 mm建立一系列與Y軸垂直的平面，計(jì)算各平面的最大剪切速率，圖17為藥料最大剪切速率沿Y軸的變化。

(a)On XZ plane

(b)On XY plane圖16 剪切速率分布云圖Fig.16 Contour of shear rate

圖17 最大剪切速率沿Y軸的變化Fig.17 The change of maximum shear rate along Y-axis

由圖16可知，由于藥料在輥隙區(qū)域受到兩輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切擠壓作用，該區(qū)域的剪切速率明顯高于其他區(qū)域。由圖17可知，由于進(jìn)出口效應(yīng)的影響，進(jìn)出口區(qū)域剪切速率波動(dòng)相對(duì)較大，忽略進(jìn)出口效應(yīng)之后，流動(dòng)過程中的最大剪切速率在25～30 s-1范圍內(nèi)波動(dòng)，變化較平穩(wěn)。

3.2.4 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的粘性熱分析

改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面粘性熱分布云圖如圖18所示，圖中的灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。

由圖18(a)可知，粘性生熱的分布與剪切速率的分布基本一致，輥隙區(qū)域的粘性生熱明顯高于其他區(qū)域。

(a)On XZ plane

(b)On XY plane圖18 粘性熱分布云圖Fig.18 Contour of viscous heating

3.2.5 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的溫度分析

改性雙基推進(jìn)劑配方中含有大量炸藥及金屬粉，能量高、感度高，如果在剪切壓延過程設(shè)備和工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，造成高溫點(diǎn)的出現(xiàn)，極易發(fā)生著火、燃爆，造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。改性雙基推進(jìn)劑藥料在剪切壓延過程中溫度升高主要有兩個(gè)源項(xiàng)，一是剪切壓延機(jī)輥筒的加熱作用，兩個(gè)輥筒的溫度通常設(shè)置為90～100 ℃，藥料在室溫溫度下進(jìn)入剪切壓延機(jī)中，輥筒與藥料之間進(jìn)行熱量傳遞，使藥料溫度升高；二是粘性熱的作用，改性雙基推進(jìn)劑藥料為高粘性流體，在剪切壓延過程抵抗變形的粘性力做功，把流體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)換為熱能，造成藥料溫度升高。

改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面溫度分布云圖如圖19所示，圖中的灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。從物料進(jìn)口邊界處每隔20 mm建立一系列與Y軸垂直的平面，計(jì)算各平面的最高溫度，圖20為藥料最高溫度沿Y軸的變化。

(a)On XZ plane

(b)On XY plane圖19 溫度分布云圖Fig.19 Contour of temperature

圖20 最高溫度沿Y軸的變化Fig.20 The change of maximum temperature along Y -axis

由圖19(a)可知，XZ平面的溫度分布呈圓環(huán)狀，圓環(huán)狀溫度分布從輥筒表面向外呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)。靠近輥筒表面的藥料與輥筒溫度基本一致，并且由于V型輥的溫度低于U型輥，靠近V型輥表面的藥料的溫度低于靠近U型輥表面的藥料的溫度。中心區(qū)域由于粘性熱的作用，藥料溫度逐漸有所升高。物料層外層邊界與空氣直接接觸，進(jìn)行對(duì)流傳熱，熱量有所散失，因此溫度逐漸下降。除進(jìn)出口區(qū)域由于進(jìn)出口效應(yīng)，溫度有相對(duì)較大的波動(dòng)之外，剪切壓延過程的最高溫度變化較平穩(wěn)，在380～385 K范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.2.6 改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的混合指數(shù)分析

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，改性雙基推進(jìn)劑藥料要在剪切壓延過程中進(jìn)行充分混合。改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的XZ平面和XY平面混合指數(shù)分布云圖如圖21所示，圖中的灰色區(qū)域表示剪切壓延機(jī)的兩個(gè)輥筒。從物料進(jìn)口邊界處每隔20 mm建立一系列與Y軸垂直的平面，計(jì)算各平面的最大混合指數(shù)，圖22為藥料最大混合指數(shù)沿Y軸的變化。

(a)On XZ plane

(b)On XY plane圖21 混合指數(shù)分布云圖Fig.21 Contour of mixing index

由圖22可知，在進(jìn)入和離開剪切壓延機(jī)輥隙區(qū)域時(shí)，藥料受到兩輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切擠壓作用較弱，藥料的混合程度較低；藥料在剪切壓延機(jī)輥隙區(qū)域受到兩個(gè)輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的剪切擠壓作用而進(jìn)行混合，混合指數(shù)明顯高于其他區(qū)域；混合指數(shù)整體較高且變化平穩(wěn)，大致穩(wěn)定在0.88附近，說明藥料在兩輥筒之間受力均勻且穩(wěn)定，有利于提高產(chǎn)品成型質(zhì)量。

圖22 最大混合指數(shù)沿Y軸的變化Fig.22 Change of maximum mixing index along Y-axis

4 結(jié)論

考慮到剪切壓延機(jī)幾何結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑流變性質(zhì)的復(fù)雜性，以及實(shí)際試驗(yàn)修正的時(shí)間和資金成本，本文將CFD方法引入到改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的研究中，利用合適的CFD軟件包對(duì)該過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該過程的流動(dòng)規(guī)律及其影響因素。使用Pro/Engineer軟件建立剪切壓延機(jī)的三維幾何模型，使用HyperMesh軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，使用POLYFLOW軟件建立改性雙基推進(jìn)劑剪切壓延過程的數(shù)值模型并進(jìn)行模擬計(jì)算，分析該過程的速度、壓力、剪切速率、粘性生熱、溫度、混合指數(shù)等參數(shù)的分布規(guī)律：

(1)改性雙基推進(jìn)劑藥料在剪切壓延機(jī)的輥隙區(qū)域受到兩個(gè)輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的剪切擠壓作用，該區(qū)域的壓力、剪切速率、粘性熱、混合指數(shù)明顯高于其他區(qū)域；

(2)藥料在剪切壓延過程中受到兩輥筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切擠壓作用而進(jìn)行混合，最大混合指數(shù)可達(dá)0.88左右；

(3)藥料的速度分布和剪切速率分布的均勻性較好，有利于提高產(chǎn)品成型質(zhì)量，忽略進(jìn)出口效應(yīng)后，平均速度在0.376 m/s附近波動(dòng)，最大剪切速率在25～30 s-1范圍內(nèi)波動(dòng)；

(4)該過程中溫度和壓力的變化較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)突變，工藝的安全性較高。

后續(xù)將建立大量不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的剪切壓延機(jī)加工改性雙基推進(jìn)劑過程的數(shù)值模型，并進(jìn)行模擬計(jì)算，通過求解結(jié)果的分析與對(duì)比，選擇較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，為實(shí)際工藝設(shè)備的改進(jìn)提供參考。