基于有限元分析Workbench软件的多孔发射药挤压过程仿真分析

为了获得特定多孔发射药模具的合理结构参数,应用Workbench软件的流体与固体耦合模块模拟了发射药药料在模腔内的挤压过程及针架的变形。采用单因素法分析了收缩角、成型段长度对挤出成型压力和模具针架系统变形的影响。结果表明：随着成型段长度的加大,压力逐渐增大、挤压药密实性增加、针架系统变形增大;随着收缩角的加大,压力增大、挤压药密实性增加、针架系统变形逐渐减小,在多孔模腔收缩角55°之后,压力增大、变形减小的幅度平缓;收缩段和成型段截面压力差从入口至出口逐渐减小,最后达到均匀分布。     

基于药料膨胀和流动均匀性的单孔药模具设计

为分析模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性的影响规律,基于正交优化方法,采用POLYFLOW软件对单孔硝基胍发射药的挤出成型过程进行了模拟仿真。分析了入口线速度恒定条件下模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性影响程度的主次关系,在此基础上优化了单孔发射药挤出模具结构。研究结果显示:对药料成型膨胀影响最大的因素为模具收缩角,其次为成型段长度,再次为压缩段长度; 对出口速度分布均匀性影响最大的因素为模具收缩角,其次为压缩段长度,再次为成型段长度。基于最小膨胀率和最小出口速度极差对模具结构参数进行了优化,结果表明,优化后的药料出口速度均匀性得到提高。     

模具内流道结构对硝基胍发射药成型过程的影响

为研究发射药模具内流道结构对硝基胍发射药成型过程的影响,建立了11/7硝基胍发射药模具内流道模型,对以收缩角为30°,45°,60°,成型段长度为25,30,45 mm不同组合的9种方案进行了数值仿真,分析挤压过程中收缩角和成型段长度对剪切速率、压力、速度分布的影响。结果表明,收缩角对不同收缩段和成型段交界面以及近出口等截面的影响相似,都表现出靠近中心模针以及壁面附近处发射药药料剪切速率高于周围部分,截面压力分布均匀,药料流动速度分布呈现中间大两边小的特点;成型段长度对药料流动过程中剪切速率分布影响较大,成型段长度越小,剪切速率越容易发生突变,可能导致非稳态流动;同时确定较优的内流道参数方案为收缩角45°,成型段长度30 mm。     

考虑壁面滑移修正的硝基胍发射药流道内数值模拟

壁面滑移是影响发射药压伸成型质量的重要因素之一。为了提高七孔硝基胍发射药压伸成型数值仿真的精确度,研究了发射药药料壁面滑移机理,建立了考虑壁面滑移修正的发射药流动的数学模型。采用有限元方法对七孔硝基胍发射药压伸成型工艺进行了数值模拟。对壁面考虑滑移与未考虑滑移时发射药流道内的压力场,速度场,收缩段与成型段交界处速度矢量分布情况进行了对比分析。通过发射药压伸试验进行了仿真验证。结果表明,壁面滑移降低了发射药成型压力,提高了发射药出口速率的均匀性,有利于发射药压伸成型。发射药实际尺寸与仿真尺寸误差均小于2.0%,其中,外径尺寸误差为0.59%,外弧误差为0.36%,内弧误差为1.80%,孔径误差为1.67%,中心孔径误差为1.72%,仿真工艺符合实际加工。     

七孔变燃速发射药挤出胀大的模拟

采用有限元方法对七孔变燃速发射药的共挤出流动过程进行了三维数值模拟,分析了在七孔变燃速发射药共挤出过程中成型段壁面滑移系数对于共挤出界面半径、挤出胀大的影响。研究表明:在变燃速发射药挤出加工过程中,提高模具表面光洁度,使得流体与模具之间的滑移系数减小,有利于流体内部速度分布均匀,可显著改善界面偏移和挤出胀大现象。     

侵蚀燃烧在发射装药内弹道中的应用研究

侵蚀燃烧是具有内孔燃烧火药的一种普遍现象,应用侵蚀燃烧可改变火药燃烧的规律。由于火炮发射装药装填密度的变化,不同装填密度发射药所受的内孔与外部压力也不同,这种压力差使发射药内孔在火炮膛内燃烧时发生侵蚀燃烧。利用发射药内孔燃气流动的流速、传热和冲刷对燃速的影响,研究了火炮发射装药的侵蚀燃烧对发射药燃速的影响,建立了发射装药侵蚀燃烧数学模型,分析了发射药装填密度、内孔的孔径、药粒长度等变化所引起的侵蚀燃烧变化及对发射装药内弹道性能的影响。提出了在变装药中,利用侵蚀燃烧提高小装药量、小射程用发射装药膛压的方法。     

螺杆挤出过程中物料在线流变行为及其数值模拟

为研究发射药螺杆挤出成型工艺,采用硝化棉(NC)代料二醋酸纤维素(CDA)、通过狭缝流变仪研究了物料在螺杆挤出成型过程中的在线流变行为。结果表明,CDA溶液为一种非牛顿假塑性流体,提高加工温度有利于改善物料的流动性并降低机头压力。同时利用计算机辅助工程软件Polyflow对挤出机机头流道内物料的流变行为进行了数值模拟,选取Power模型,得到流道内物料的压力分布、剪切速率分布和剪切粘度分布,模拟结果与实验数据相近。模拟结果表明,螺杆转速增大,物料的剪切粘度降低,但同时增大了机头压力和压降速率,不利于发射药的质量和加工的安全性。CDA溶液挤出成型过程中在线流变行为及其数值模拟计算的研究,对发射药的连续挤出成型具有重要的指导意义。     

发射药药型结构对燃速测试结果的影响

为了研究药型结构对发射药燃速测试结果的影响,以高能硝胺发射药为研究对象,采用密闭爆发器燃烧实验和数据处理的分析方法,研究了4种药型及其不同内孔长径比发射药的燃速特性及其变化规律;采用中止燃烧实验研究了发射药内孔长径比对侵蚀燃烧的影响,并与太根发射药对比研究了燃速特性对侵蚀燃烧的影响关系。结果表明,多孔药的燃速压力指数明显小于单孔药,在内孔长径比相同的条件下,随着发射药内孔数量的增加,正比式燃速系数减小,燃速压力指数减小;在药型相同的条件下,随着内孔长径比增大,发射药侵蚀燃烧现象加剧,正比式燃速系数增大,燃速压力指数减小;燃速较高的发射药,侵蚀燃烧现象对燃速参数测试结果的影响更大。     

多孔硝基胍发射药压伸数值仿真及验证

为研究硝基胍发射药配方和压伸工艺对挤出成型尺寸的影响问题,建立了不同配方硝基胍发射药压伸过程数学模型及边界条件,用有限元方法仿真计算,得到了不同配方条件下流动过程的剪切速率场、压力场以及速度场分布情况。结果表明,发射药实际外径尺寸(8.03 mm)与仿真尺寸(8.38 mm)基本一致,误差为4.36%,外弧厚误差为7.89%,内弧厚为3.10%,孔径误差为9.26%,中心孔径误差为5.36%,误差均小于10%。     

管状发射药内孔侵蚀燃烧与流动特性

为了研究管状发射药内孔侵蚀燃烧及气体流动的特性,建立了考虑管内气相区域、管外的气相区域和固体火药区域的密闭爆发器内弹道模型。通过数值模拟结果与文献实验数据比对,验证了该密闭爆发器内弹道模型与计算方法的准确性。在此基础上,分别讨论了不同火药长度、内径和装填密度对内孔侵蚀燃烧的影响,结果表明,内径d=0.56 mm、长度l=50 mm管状药、已燃百分比0.016≤ψ≤0.8范围内,孔内外最大压力差由1.23 MPa增加至2.00 MPa,端面最大气体速度由430 m·s~(-1)减小至200 m·s~(-1),端面最大的侵蚀燃烧系数由1.98下降至1.10,内孔侵蚀燃烧临界点由距离对称面7 mm处移动到20 mm,侵蚀燃烧面积减小65%;燃通比是影响内孔侵蚀燃烧的重要因素,燃通比小于71.4时侵蚀燃烧不发生;随长度增加、内径减小即随燃通比增大,侵蚀燃烧强度变强,燃通比大于142.8时侵蚀燃烧非常明显;当装填密度增加时,端面气体最大速度和侵蚀燃烧系数有微弱减小,而管内外气体压差增加明显。     

横切棒状和包覆粒状发射药混合装药定容燃烧性能

为了研究横切棒状和包覆粒状发射药混合装药的定容燃烧性能,制备了9/19的横切棒状药和含有Ti O2的高分子阻燃太根7/19包覆粒状发射药,对不同混合配比的横切棒状药和包覆粒状发射药进行了密闭爆发器试验,测定了发射药在不同装填密度下的定容燃烧性能,研究了混合比对混合装药定容燃烧性能的影响规律,分析了横切棒状药和包覆粒状发射药共同燃烧相互作用。结果表明:装填密度对发射药混合装药定容燃烧性能产生影响,随着装填密度增加,侵蚀燃烧降低,燃烧渐增性增加。混合比例对混合装药燃烧渐增性产生影响,在装填密度为0.20 g·cm~(-3)和0.32 g·cm~(-3)条件下,横切棒状和包覆粒状发射药获得较佳燃烧渐增性的混合比例分别为4∶6和3∶7。横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药燃烧的相互影响主要表现在燃烧前期,横切棒状药改善了包覆粒状发射药的点火;燃烧中后期,横切棒状药和包覆粒状发射药燃烧趋于独立。     

含FOX-7发射药的低压燃烧性能及力学性能

通过中止燃烧试验及密闭爆发器试验研究了含FOX-7发射药的低压燃烧性能。结果表明:随着样品中FOX-7含量的增加,其燃速压力指数降低; 发射药燃烧过程中,药体表面形成连续的熔融层,抑制了RDX的爆燃,发射药燃烧一致性变好,有利于发射药低压下的稳定燃烧。抗冲强度试验结果表明,增加配方中FOX-7含量,发射药抗冲强度增大。     

37孔硝基胍发射药单一装药和混合装药的燃烧性能

为了解37孔硝基胍发射药单一装药和混合装药的定容燃烧性能,采用花边形37孔三胍-15发射药为主装药(MC),花边形19孔三胍-15包覆药为辅助装药(B)。通过定容密闭爆发器实验,装填密度为0.20 g·cm-3,在高温(50℃)、常温(20℃)、低温(-40℃)条件下,研究弧厚对单一主装药燃烧性能的影响以及混合比例对混合装药(MC+B)燃烧性能的影响。结果表明,随温度降低,37孔单一主装药侵蚀燃烧现象越明显,燃烧渐增性越弱,而相同温度下,弧厚越大的主装药,其侵蚀燃烧现象越不明显,燃烧渐增性越强;温度越高,同一混合比例的混合装药ΔL、Lm/L0值越大,燃烧渐增性越好;相同温度下,混合装药的燃烧渐增性均强于单一主装药,且随着包覆药比例增加,侵蚀燃烧峰逐渐减小,说明包覆药的加入明显地提高了混合装药的渐增性并降低了侵蚀燃烧峰,且在50,20,-40℃条件下,混合装药获得较佳燃烧渐增性的混合比例均为7∶3。     

整装式液体发射药燃烧推进过程的内弹道特性

为研究液体药燃烧过程中的压力波以及Taylor-Helmholtz不稳定效应对内弹道性能的影响,针对12.7 mm小口径整装式液体药燃烧发射装置,利用有限元分析软件ANSYS建立气体与液体两相反应流数理模型.通过数值模拟得到液体发射药燃烧过程中Taylor空腔气体与液体界面的演化特性,以及组分质量分数、液体药蒸发速率、...     

固体复合推进剂火箭发动机侵蚀界限参数的预测方法与应用

为从理论上寻求固体火箭发动机侵蚀界限参数的预示方法,以改进的勒努尔-罗比拉德侵蚀公式(L-R公式)为基础,发展了一种能够预测固体复合推进剂发动机侵蚀界限参数(包括界限流速和界限燃通比)的理论方法。一维内弹道和零维内弹道的实例验证表明,该方法获取的界限流速和界限燃通比具有较高的预示精度,满足工程计算要求。这对于侵蚀燃烧理论研究和固体火箭发动机侵蚀燃烧的实验研究,以及提高固体火箭发动机内弹道预示精度,均具有重要的实际应用意义。该方法仅适用于过氯酸铵(AP)复合推进剂,其他推进剂能否适用还需要进一步研究。     

等离子体点火中止后回收发射药的X射线荧光光谱分析

利用中止燃烧装置,对单基药、双基药、太根药及硝胺药等不同种类发射药进行常规方式和等离子体点火的比较研究。燃烧中止后,回收得到残存发射药。对这些回收发射药表面进行X射线荧光光谱(XRF)分析,以检测发射药表面由于等离子体带来的金属含量。15/19单基药和硝胺药表面的Cu沉积很少;沉积在太根药样品表面的Cu元素,经估算后其含量约为Pb元素的20%左右;而等离子体点火双芳-3的XRF谱图中,Cu元素所处的峰的强度明显增强,经估算后其含量约为Pb元素的50%左右。Cu元素在不同配方发射药表面沉积的相对含量与金属蒸汽罩模型的观点存在不一致。试验结果表明:与常规点火方式相比,等离子体点火燃烧中止后回收得到的发射药表面有金属Cu离子或原子沉积。Cu在发射药表面沉积的相对含量与等离子体发射药能量转移方式、发射药的配方及燃烧状况相关。