張丹丹，何衛(wèi)東

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

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硝基胍七孔發(fā)射藥擠壓成型過程的數(shù)值模擬

張丹丹，何衛(wèi)東

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

摘要：為了獲得不同擠壓成型工藝條件對(duì)硝基胍七孔發(fā)射藥成型質(zhì)量的影響，首先用毛細(xì)管流變儀測得不同條件下塑化后的硝基胍發(fā)射藥藥料的流變參數(shù)，再用POLYFLOW軟件模擬了發(fā)射藥藥料在七孔成型模具中的擠出過程。分析了溶劑比、擠出溫度、體積流量對(duì)模具內(nèi)的壓力分布、模具出口截面處的速度分布及擠出發(fā)射藥尺寸的影響，得到制備硝基胍七孔發(fā)射藥的最佳成型工藝條件為：發(fā)射藥藥料與醇酮溶劑的比值0.22~0.24，擠出溫度25~35℃，入口體積流量(0.58~1.0)× 10-7m3/s。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；POLYFLOW軟件；硝基胍發(fā)射藥；七孔發(fā)射藥；擠出成型；數(shù)值模擬

引言

多孔發(fā)射藥的尺寸影響著發(fā)射藥能量的釋放速率[1]。目前發(fā)射藥的成型多通過溶劑或半溶劑法制得[2-3]，適宜的發(fā)射藥成型工藝條件是保證發(fā)射藥品質(zhì)的重要因素。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE軟件在工藝設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[4]。POLYFLOW軟件是最常用的CAE軟件之一，主要用于模擬黏彈性材料的成型過程，解決牛頓流體、非牛頓流體的流動(dòng)模擬問題[5]。趙建才等[6]利用POLYFLOW軟件模擬計(jì)算一種典型的EPDM膠料的擠出過程；Enric等[7]模擬了醫(yī)用導(dǎo)管和異型橡膠擠出過程，優(yōu)化了模具截面，獲得形狀良好的制品；劉林林等[8]模擬研究了單螺桿擠出機(jī)中變?nèi)妓侔l(fā)射藥在不同操作條件下的擠出過程；姜愛民等[9]模擬了復(fù)合固體推進(jìn)劑藥漿在捏合機(jī)中的攪拌過程，實(shí)現(xiàn)了攪拌過程中藥漿流動(dòng)的可視化。然而POLYFLOW軟件在多孔發(fā)射藥成型的模擬研究中應(yīng)用較少。

本研究利用POLYFLOW軟件模擬計(jì)算了某硝基胍發(fā)射藥在七孔藥模中的擠壓成型過程，討論了藥料特性、藥料入口體積流量等對(duì)發(fā)射藥擠出成型產(chǎn)生的影響，為發(fā)射藥擠出成型工藝的研究提供參考。

1擠壓成型過程的模擬計(jì)算

1.1發(fā)射藥成型流道的幾何模型及網(wǎng)格模型

采用Solidworks軟件建立了7孔發(fā)射藥成型流道的三維模型，由于7孔發(fā)射藥成型模具為對(duì)稱幾何體，取模具流道的1/4部分進(jìn)行模擬計(jì)算。用于計(jì)算的7孔發(fā)射藥模具流道模型的幾何尺寸見表1。1/4模具流道的幾何模型及網(wǎng)格模型如圖1所示。

表1　7孔發(fā)射藥模具流道模型的幾何尺寸

注：D1為收縮段入口處直徑；L1為收縮段長度；D為成型段直徑；d為內(nèi)孔直徑；2e1為弧厚；L2為成型段長度；L3為自由段長度。

1.2擠出過程的數(shù)學(xué)模型

1.2.1基本假設(shè)

擠出過程的基本假設(shè)為：(1) 發(fā)射藥藥料為不可壓縮的高黏性非牛頓流體；(2) 在藥模中發(fā)射藥藥料的溫度相同，流場的分布與溫度和時(shí)間無關(guān)；(3) 由于雷諾數(shù)較小，發(fā)射藥為穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)且藥料充滿在整個(gè)模具中；(4) 由于慣性力、重力相對(duì)于黏性力很小，故忽略不計(jì)；(5) 模型中的自由段(見圖1(b))足夠長，能夠表示發(fā)射藥的整個(gè)流動(dòng)過程。

1.2.2控制方程

不可壓縮流體的連續(xù)性方程：

·v=0

(1)

動(dòng)量方程：

-pI+·τ=0

(2)

本構(gòu)方程：

(3)

由Bird-Carreau模型給出發(fā)射藥剪切黏度與剪切速率之間的關(guān)系：

(4)

1.3硝基胍發(fā)射藥藥料物性參數(shù)的確定

采用Malvern公司Rosand RH2200型毛細(xì)管流變儀測量塑化后的硝基胍發(fā)射藥藥料(簡稱藥料)的流變性能。定義為總?cè)軇?乙醇+丙酮)加入量與總投藥量(發(fā)射藥吸收藥片+硝基胍)的比，分別取溶劑比0.20、0.22、0.24、0.26的藥料在25、30、35、40和45℃下進(jìn)行測試，并采用POLYMAT軟件對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得不同條件下藥料的流變參數(shù)。表2為溫度25℃時(shí)，不同溶劑比時(shí)發(fā)射藥藥料的流變參數(shù)數(shù)據(jù)，表3為溶劑比為0.24時(shí)，不同溫度下發(fā)射藥藥料的流變參數(shù)數(shù)據(jù)。

表2　不同溶劑比發(fā)射藥藥料在25℃時(shí)的流變參數(shù)

表3　溶劑比為0.24時(shí)不同溫度下發(fā)射藥藥料的流變參數(shù)

2結(jié)果與分析

2.1擠出成型過程中藥料的壓力分布

利用POLYFLOW軟件，模擬溶劑比為0.20、0.22、0.24、0.26的硝基胍發(fā)射藥藥料在擠出溫度為25℃、體積流量為1×10-7m3/s的擠壓成型過程，得到壓力云圖及壓力分布圖(圖2)。

圖2　模具中與自由擠出段的壓力云圖(a)和壓力分布圖(b)Fig.2　Pressure nephogram (a) and pressure distribution (b)inside the model and the freedom

以收縮段上端為起點(diǎn)，模具流道的長度為橫坐標(biāo)，發(fā)射藥藥料流動(dòng)方向?yàn)檎较?，所受的壓力p為縱坐標(biāo)，得到壓力分布圖(圖2(b))。其中，0~0.010m為收縮段，0.010~0.046m為成型段，之后為自由段，由于自由段的壓力值到0.050m后趨于穩(wěn)定，故圖2(b)中僅給出模具中和部分自由段的壓力分布。由圖2(a)和圖2(b)可知，隨著藥料的擠出，壓力在擠出方向上逐漸減小，收縮段壓力的變化幅度小，成型段的壓力顯著下降，自由段的壓力逐步下降至0后趨于穩(wěn)定。隨著溶劑比的增加，模具中的壓力分布趨勢(shì)相同，模具入口與出口處的壓力差減小，這是因?yàn)槿軇┍仍黾訒r(shí)，藥料的黏度減小，獲得相同擠出速度時(shí)所需的壓力降低。

2.2體積流量對(duì)藥料擠出成型過程的影響

發(fā)射藥的尺寸用孔徑(d)、弧厚(2e1)、外徑(D)表示。發(fā)射藥藥料為含有溶劑的黏彈性高分子材料，在擠出成型過程中，由于成型段入口處流線收縮，藥料在流動(dòng)方向受到拉伸作用，同時(shí)在模具中受到切應(yīng)力和法向應(yīng)力的作用而產(chǎn)生彈性形變，在離開模具后，發(fā)射藥分子重新蜷縮，出現(xiàn)回復(fù)現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)射藥的尺寸與模具尺寸不同。

用形變率B表示擠出發(fā)射藥尺寸與模具尺寸的偏差大小，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Df為擠出發(fā)射藥的尺寸；D0為模具的尺寸。

分別用Bd、B2e1、BD表示壓伸制備的發(fā)射藥的孔徑、弧厚、外徑的擠出形變率，發(fā)射藥發(fā)生膨脹時(shí)，Bd<0，B2e1>0；發(fā)生收縮時(shí)，Bd>0，B2e1<0。

取醇酮溶劑比為0.24、25℃塑化后發(fā)射藥藥料在入口體積流量(Q)分別為1×10-8、5×10-8、1×10-7、5×10-7、1×10-6m3/s進(jìn)行模擬計(jì)算。不同體積流量時(shí)的壓伸壓力(py)和擠出發(fā)射藥的形變率見表4。令模具出口截面(如圖1(a)所示)的a-d方向?yàn)閄方向，e-f方向?yàn)閆方向，模具出口截面處的流動(dòng)速度分布如圖3所示。

由表4可知，入口體積流量Q的大小影響發(fā)射藥藥料成型所需的壓伸壓力、模具出口截面上藥料的流動(dòng)速度分布，并最終影響擠出發(fā)射藥的形狀尺寸。Q值增加，藥料成型所需的壓伸壓力增加，導(dǎo)致擠出7孔發(fā)射藥的孔徑逐漸變小，弧厚逐漸增加。由圖3可知，出口截面處，不同部位的藥料流動(dòng)速度不同。在擠出過程中，模具和藥針壁面對(duì)藥料的流動(dòng)產(chǎn)生影響，X方向上，藥針對(duì)ab段藥料產(chǎn)生對(duì)稱的影響，使得ab段中心處出現(xiàn)速度最大值；由于藥針的表面積小于模具壁的表面積，使得藥料與藥針接觸面積小，藥料受到藥針的影響相對(duì)較小，cd段速度最大值出現(xiàn)在cd中心偏c處，ab段藥料流速的平均值大于cd段的平均值。同理可知，Z方向上，速度最大值出現(xiàn)在ef中心偏e處，靠近中心孔(e)處的藥料流速大于靠近模具內(nèi)壁(f)處的速度。Q值變化時(shí)，模具出口截面上藥料的流動(dòng)速度分布趨勢(shì)基本相同，Q值增大，模具出口截面處的速度最大值增加。因此，溫度為25℃，溶劑比為0.24時(shí)，硝基胍七孔發(fā)射藥擠出成型的體積流量可控制在(0.5~1.0)×10-7m3/s，此時(shí)擠出的7孔發(fā)射藥尺寸接近設(shè)計(jì)的要求。

表4　不同體積流量時(shí)壓伸壓力與擠出發(fā)射藥的形變率

圖3　不同體積流量時(shí)藥料的出口速度分布圖Fig.3　Velocity distribution of propellant in the die exitunder different volume flow rate

2.3藥料性質(zhì)對(duì)成型的影響

2.3.1溶劑比的影響

模擬了25℃下溶劑比分別為0.20、0.22、0.24和0.26，藥料的體積流量(Q)為1.0×10-7m3/s時(shí)塑化發(fā)射藥的擠出過程。不同溶劑比時(shí)所需的壓伸壓力(py)和擠出發(fā)射藥形變率的計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　不同溶劑比時(shí)壓伸壓力與擠出發(fā)射藥的形變率

由表5可以看出，藥料離開模具后發(fā)生離模膨脹，使得發(fā)射藥的孔徑變小，弧厚增加。隨著溶劑比的增加，藥料的黏度逐漸減小，流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，使得成型所需的壓伸壓力逐漸減小，發(fā)射藥的膨脹程度出現(xiàn)由大到小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。由圖4可知，溶劑比為0.22時(shí)，速度差值最小，速度分布最均勻，離模膨脹程度最小，發(fā)射藥藥柱尺寸與模具尺寸的一致性較好。分析認(rèn)為，壓伸壓力增加、溶劑比減小使得發(fā)射藥膨脹現(xiàn)象加重，同時(shí)使模具壁面對(duì)速度分布的影響加大，貼近壁面層低速區(qū)域范圍增加，造成孔徑變大，弧厚變小。受壓伸壓力、藥料特性以及模具壁面的綜合影響，離模膨脹程度在溶劑比為0.22時(shí)出現(xiàn)最小值。對(duì)于該配方硝基胍發(fā)射藥，當(dāng)溶劑比為0.22~0.24時(shí)，擠出的發(fā)射藥的質(zhì)量相對(duì)均勻。

圖4　模具出口截面處不同溶劑比藥料的流動(dòng)速度分布Fig.4　Velocity distribution of propellant in thedie exit under different solvent ratio

2.3.2擠出溫度的影響

在體積流量為1.0×10-7m3/s，擠出溫度分別為25、30、35、40和45℃時(shí)，取醇酮溶劑比為0.24的發(fā)射藥藥料進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同溫度時(shí)壓伸壓力(py)和擠出發(fā)射藥的形變率，見表6。

表6　不同擠出溫度時(shí)壓伸壓力與發(fā)射藥的形變率

由表6可知，隨著擠出溫度的升高，藥料的黏度降低，流動(dòng)性變好，壓伸壓力降低，擠出發(fā)射藥的孔徑先增加后減小，弧厚先減小后增加。在35℃時(shí)，離模膨脹程度最小，發(fā)射藥尺寸與模具尺寸的一致性較好。分析認(rèn)為，隨著溫度的升高，硝化棉分子的松弛速度加快，彈性效應(yīng)減小，使得離模膨脹程度減小，孔徑變大、弧厚變??；另一方面，隨著溫度的升高，藥料黏度減小，貼近壁面層低速區(qū)域范圍減小，孔徑縮小、弧厚增加。綜合作用的效果，離模膨脹程度在35℃時(shí)出現(xiàn)最小值。因此，硝基胍發(fā)射藥的最佳成型溫度為25~35℃。

3結(jié)論

(1)建立了硝基胍七孔發(fā)射藥擠出成型過程的數(shù)學(xué)和物理模型，利用流變測試技術(shù)得到藥料的流變學(xué)參數(shù)，通過POLYMAT軟件擬合獲得模擬所需的Bird-Carreau模型參數(shù)。

(2)模擬研究表明，藥料體積流量越大，發(fā)射藥成型所需的壓伸壓力越大，導(dǎo)致擠出發(fā)射藥的孔徑逐漸變小，弧厚逐漸增加；隨著溶劑比的增加，藥料的黏度逐漸減小，流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，使得成型所需的壓伸壓力逐漸減小，發(fā)射藥的膨脹程度出現(xiàn)由大到小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；擠出溫度升高時(shí)，藥料的黏度降低，流動(dòng)性變好，壓伸壓力降低，擠出發(fā)射藥的孔徑先增加后減小，弧厚先減小后增加。

(3)在本研究條件下，硝基胍七孔發(fā)射藥的最佳成型工藝條件為：發(fā)射藥藥料與醇酮溶劑的比值0.22~0.24，擠出溫度25~35℃，入口體積流量(0.5~1.0)×10-7m3/s。

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Numerical Simulation of 7-Hole Nitroguanidine-based Gun Propellant in Extrusion

Forming Process

ZHANG Dan-dan, HE Wei-dong

(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To obtain the effect of technological conditions in different extrusion molding process on forming quality of a formula for 7-hole nitroguanidine-based (NQ-based) gun propellant, the rheological parameters of the plasticized 7-hole NQ-based gun propellant spices under the different conditions were obtained by a capillary rheometer. The extruding process of propellant spices in the 7-hole forming die was simulated by POLYFLOW software. The effect of solvent ratio, extrusion temperature, volume flow rate on the pressure distribution, velocity distribution in the die exit and extrusion propellant size was analyzed. Results show that the optimum process conditions for preparation of 7-hole NQ-based gun propellant are determined as: ratio of gun propellant spices to alcohol ketone solvent of 0.22-0.24, extrusion temperature of 25-35℃, and entrance volume flow rate of (0.58-1.0)×10-7m3/s.

Keywords:physical chemistry；POLYFLOW software；nitroguanidine-based propellant；7-hole gun propellant; extruding molding；numerical simulation

通訊作者:何衛(wèi)東(1962-)，男，副研究員，從事發(fā)射藥配方及裝藥設(shè)計(jì)研究。

作者簡介:張丹丹(1990-)，女，碩士研究生，從事高分子材料成型加工研究。

收稿日期:2014-07-18；修回日期:2014-11-19

中圖分類號(hào)：TJ55; O64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)01-0082-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.019