发射药挤压成型仿真设计

摘 要

　　发射药是提供火炮发射动力的能源,多孔发射药有利于提髙火炮能动性。挤压成型是发射药生产的主要方法,成型过程及其模具对发射药的质量有直接影响。论文W计算机仿真为主要手段,分别运用单因素法和正交试验法,模拟发射药挤压成型过程,研究模具主要结构参数对挤压过程的影响,优化成型模具,W达到改进生产工艺,提高性能的目的。

　　首先,建立发射药挤压模具的H维模型,并进行流体挤压的仿真分析。基于流固亲合理论,以 Workbench流固帮合模块为主要工具,模拟料挤压成型过程,分别讨论了压缩比、收缩角、成型段长度等参数对发射药流动和模针变形等影响,总结流体流动规律和模针变形规律,确定单因素条件下模具最佳结构参数的取值范围。

　　其次,采用正交试验法,对挤压模具进行结构尺寸优化。分别选取模针最大变形量、流道压强降和出口流动平衡函数S个量为正交试验的评价指标。将评价标准与实际生产工艺相结合,通过对比分析,选择合适的模具结构尺寸组合为:压缩比为3.1、收缩角为55°和成型段长度35mm。

　　最后,分别使用新旧两种模具进行发射药挤压试验,运用Image-Pro_Plus_6.0软件分析发射药制品的几何外形,研巧药孔的分布情况,并对新旧模具制成的发射药进行密闭爆发器燃烧试验。各巧数据表明,新模具制成的发射药的药孔分布均匀性、密实性及渐燃性等指标明显优于原模具制成的发射药。

　　关键字:多孔发射药,成型模具,流固赖合,挤压成型,成型过程仿真

Abstract

　　Propellant is a source of efiergy for the launch of the artillery, and multi-perforated gun propellant is beneficial to improve the dynamic performance of the artillery. Extrusion molding is the main menod for the production of propellant. The molding process and the mould directly influence the quality of the propellant. This thesis adophd the computer stimulation as its main method and the single factor method and orthogonal test method were used to simulate the extrusion process. In order to improve the production process and the performance of the mould, the influence of t;he main parameters on the extrusion process was studied, and the mould was optimized.

　　Firstly, the three-dimensional model of the propellant extrusion mould was established, and the simulation analysis was carried out. Based on the Fluid-solid Coupling Theory, the Workbench of the fluid-structure coupling module was used as the main tool to simulate the extrusion process. The influences of the parameters, such as compression ratio, shrinkage angle and length of the forming section 0n the flow of propellant and the deformation of the pin were discussed respectively. The laws of fluid flow and the deformation of the pin were summarized. And the range of the optimum structure param巧ers of the mould under the condition of single-factor was finally determined.

　　Secondly, the method of orthogonal test was used to optimize the structure size of the extmsion mould. the maximum deformation of the pin,flow channel pressure drop and the outlet flow bala打ce function of the three parameters were selected as the evaluating indexes of orthogonal test. By combining the evaluation standard with the actual production process, this thesis comparatively analyzed and selecl:ed the appropriate mould: compression ratio of 3.1, the contraction angle of 55 degrees and the shape of the length of 35mm.

　　Finally,the new kind of mould and l:he old one were separately used to carry out the extrusion experiment. The Image-Pro— Plus—6.0 software was used to analyze the geometric shape of propellant. To study the distribution of 1;he hole,the combustion experiments of the new mould processing and 1;he old one were carried 0ut in a closed vessel. The results show that the propellant made by t;he new mould was obviously higher than the original mould in terms of the uniformity of the distribution of the hole,compactness and the gradual burning.

　　Key words: multi-perforated gun propellant,fbrming mould,fluid-stmcture interaction, extrusion forming,simulation of molding process

　　本文所研巧的课题是"某国防科技项目"中的"新型装药技术研究"下的"多孔发射药研究的模具设计"。该课题主要是为了优化设计出可(^^制造髙质量多孔发射药的挤足成型模具。

　　发射药的成型质量直接影响着其燃烧性能。为加工出髙品质的多孔发射药成品,论文从挤压成型模具和发射药挤压成型的相关理论进行分析研究,依据实际情况,运用流固赖合软件对发射药挤压成型过程进行仿真模拟,研究挤压成型模具的结构参数对发射药成型质量的影响,运用正交试验进行模具结构优化,并进行试验验证。主要进行了下几个方面的研究:

　　1)控制模具结构参数进行单因素变量分析。

　　主要是针对挤压模具的收缩角、成型段长度和压缩比H个结构参数进行控制单一变量流固帮合分析,其中各模具结构参数的数值范围依据经验进行设定。分别对各结构参数采取单一变量控制的方法,建立最佳的数学物理模型,运用Workbench流固称合模块对模具内药料的挤压成型过程进行仿真分析。主要针对下王个方面进行分析:

　　第一、分析不同单因素变量条件下成型流道中的整体和各截面的压为分布状况,总结发射药药料在挤压过程中的压强分布规律。

　　第二、分析不同单因素变量条件下成型流道中的整体和各截面的速度分布状况,总结发射药药料在挤压过程中速度分布规律。

　　第王、分析不同单因素变量条件下挤压药和模具之间的流固赖合作用,尤其是模针受到挤压药的挤压产生变形的规律。

　　总结各单因素条件下的压强、速度和模针变形的规律,选出最佳结构参数范围,用于下一步模具的优化设计。

　　2)模具结构参数的正交试验优化。

　　将选出单因素变量条件下的最佳结构参数范围,利用正交试验工具进行正交试验沮合的设定,设定合理的试验结果评价指标。对正交试验设定的参数组合建立合适的数学物理模型,进行流固赖合模揪分析,得到压力、速度和针架系统变形等参数的分布情况。

　　将评价指标与实际生产情况相结合,选出最优的参数尺寸组合,用于挤压模具的制造。

　　3)发射药的挤压成型试验和发射药成品的燃烧试验。�娊�优化后的新模具用于挤压发射药的试验,测试其加工出的发射药成品的质量,并将其与原模具加工的发射药进行对比分析。先分析几何外形中的表面成型质量和药孔的分布均匀性;再将两种发射药成品进行燃烧试验,总结多孔发射药成品的燃焼规律,并分析形成燃烧规律的原因,最后比较两种发射药的燃烧性能的优劣。

　　发射药挤压成型仿真设计插图：

Rosand RH2200型毛细管流变仪

挤压成型模具的结构示意图

多孔模腔的二维示意图

针架系统的二维示意图

弹性模量测量夹具

弹性模量测量夹具

孔挤压药模具H维几何模型

孔模具药料流道的几何模型

目录
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　　摘�壱���
　　Abstract�崳�
　　目录
　　1 绪论
　　　　1.1 选题的科学意义和应用前景
　　　　1.2 发射药的研巧现状
　　　　　　1.2.1 发射药及其成型
　　　　　　1.2.2 发射药挤压成型的研究现状
　　　　　　1.2.3 流体挤压成型模具的研究现状
　　　　1.3 本文的主要研究内容
　　2 发射葫成型仿真的理论基础
　　　　2.1 发射药的特性
　　　　2.2 聚合物烙体流变性质
　　　　2.3 本构方程
　　　　　　2.3.1 广义牛顿流体的本构方程
　　　　　　2.3.2 黏弹性流体的本构方程
　　　　2.4 挤出过程的运动控制方程
　　　　　　2.4.1 连续性方程
　　　　　　2.4.2 动量方程
　　　　　　2.4.3 能量方程
　　　　2.5 基本假设及方程的建立
　　　　　　2.5.1 基本假设
　　　　　　2.5.2 方程的建立
　　　　2.6 本章小结
　　3 教辉制备与薪压模具的模型
　　　　3.1 发射药药料的制备
　　　　　　3.1.1 实验原材科和仪器设备
　　　　　　3.1.2 硝基脉发射药制备的工艺流程
　　　　3.2 挤压发射药药料模型的建立
　　　　　　3.2.1 发射药药料的性能参数
　　　　　　3.2.2 发射药成型的边界条件
　　　　3.3 挤压模具的主要结构参数
　　　　　　3.3.1 模具的主要结构
　　　　　　3.3.2 模腔结构参数的设定
　　　　　　3.3.3 建立模具的几何模型和网格模型
　　　　3.4 本章小结
　　4 基于单因素的发新药巧压过程仿真
　　　　4.1 成型段对流道流动情况和模具变形的影响
　　　　　　4.1.1 流固赖合前处理
　　　　　　4.1.2 成型段长度对挤压药压力的影响
　　　　　　4.1.3 成型段长度对挤压药流速的影响
　　　　　　4.1.4 成型段长度对模具变形的影响
　　　　4.2 收缩角对流道流动情况和模具变形的影响
　　　　　　4.2.1 收缩角对挤压药压力的影响
　　　　　　4.2.2 收缩角对挤压药流速的影响
　　　　　　4.2.3 收缩角对模具变形的影响
　　　　4.3 压缩比对流动流动情况和模具变形的影响
　　　　　　4.3.1 压缩比对挤压药压力的影响
　　　　　　4.3.2 压缩比对挤压药流速的影响
　　　　　　4.3.3 压缩比对模具变形的影响
　　　　4.4 本章小结��
　　5 基于正交试验的模具结构参数优化
　　　　5.1 模具结构参数的取值范围
　　　　5.2 正交试验设计参数组合
　　　　5.3 设定试验结果评价指标
　　　　5.4 仿真分析及最优参数的确定
　　　　　　5.4.1 不同条件下挤压药的压力分析
　　　　　　5.4.2 不同条件下挤压药的流速分析
　　　　　　5.4.3 不同条件下模具的变形分析
　　　　5.5 试验数据的整理
　　　　　　5.5.1 模具流道压力降数据整理
　　　　　　5.5.2 流动平衡函数正交试验数据
　　　　　　5.5.3 模针最大变形量数据整理
　　　　5.6 本章小结�崳�
　　6 发射药巧压及其燃烧试验
　　　　6.1 发射药成品的制备和几何外形分析
　　　　　　6.1.1 发射药挤压试验
　　　　　　6.1.2 发射药成品的几何外形分析
　　　　6.2 发射装药燃烧性能试验
　　　　　　6.2.1 测试原理的基本定律与函数
　　　　　　6.2.2 基于密闭爆发器试验的装药燃烧性能表征方法
　　　　6.3 密闭爆发器试验分析
　　　　　　6.3.1 试验仪器与条件
　　　　　　6.3.2 试验结果分析
　　　　6.4 本章小�崳�
　　7 总镑与展望�崳�
　　　　7.1 本文总结��
　　　　7.2 展望��
　　致�壭�
　　参考文献
　　附�壜迹�

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