温度对某含能材料成型模具变形的影响研究

季丹丹 岳显 黄求安 肖勇 程林

摘要：为了研究温度对某含能材料挤出成型模具内模针挠曲变形的影响，采用数值计算方法对成型模具中药浆的流动过程进行了模拟分析。结果表明：随温度的升高，药浆黏度降低，流动性变好;在一定的药浆入口线速度下，随温度的升高，模针变形量呈线性递减趋势。

关键词：含能材料;模具;变形;数值仿真

0 引言

高质量、高可靠性的含能材料在武器系统中占有举足轻重的地位。国内外研究人员对含能材料混合设备、加工工艺、安全性能等进行了大量研究[1]。成型模具决定了含能材料的形状与尺寸。在成型过程中，药浆在模具内产生各向压力，引发模针变形，造成成型产品结构与设计结构的偏差，影响其燃烧性能。

本文以某含能材料为研究对象，采用数值计算的方法[2]分析了不同成型温度下的药浆流动过程，获得成型温度对模针变形的影响规律，为含能材料成型质量的提高提供理论支撑。

1 计算模型

1.1    流道结构

成型模具是决定含能材料成型形状、尺寸的关键，主要由模体、针架和模针组成。某成型模具具体参数如下：压缩段高度10 mm，成型段长度36 mm、直径11 mm，模针直径1 mm。本文所用模针材料为碳素钢，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.25。药浆流动过程中会对模针表面造成压迫，导致其发生挠曲变形，为此本文采用单向流固耦合方法对药浆流动过程进行分析。以CFX方法分析流道内药浆的流动过程，获得模针表面的压力分布数据，并传递至结构力学分析模块，分析模针在此压力作用下的变形量，药浆的流动均匀性由CFX模块求解获得。流道计算中入口选用的速度入口为0.2 mm/s;出口选用自由出口，其余面均设置为壁面。

考虑到药浆的性能，仿真计算时做如下假设[3]：（1）不考虑挤出过程中的热传递;（2）药浆流动是不可压缩的稳态层流;（3）不计药浆重力和惯性力的影响。

1.2    药浆流变参数

不同加工温度下的药浆流变参数如表1所示。

2 结果分析

2.1    流道压力分布

35 ℃时流道内压力分布如图1所示，可见压力最大值位于药浆入口处，沿药浆的流动方向压力逐渐降低，靠近药浆出口处的流道受压仅为入口处压力的10%左右。

2.2    模针变形分析

模针受压分布如图2所示，可见模针在靠近出口处的受压最小，与针架连接处受压最大。模针变形云图如图3所示，可见由于针架的固定约束作用，模针靠近药浆入口处变形最小，靠近流道出口端则因边界无约束而发生最大变形。图4为模针最大变形量随药浆温度的变化趋势，可见随药浆温度的升高，模针最大变形呈线性递减趋势。由表1中的η0列可见，随温度的升高，药浆黏度降低，流动性变好，贴近流道壁面层低速区域范围减小，流动药浆在模针上的粘附性降低，模针受压减小，模针在药浆压力作用下的变形量随之减小。

2.3    仿真结果验证

本文对不同温度药浆进行挤出成型试验，各工况温度及试验结果如表2所示，同时对各工况进行数值仿真，所得模针变形结果一并列出。由表2可知，随着温度升高，模针实际变形量明显减小。与仿真变形量对比可知，本文所用仿真方法所得结果与实验值吻合，在30 ℃条件下计算值与实验值偏差最大，但低于15%，表明本文的研究方法正确有效，可用于指导含能材料成型研究。

3 结语

针对模针在某含能材料药浆挤出成型过程中发生挠曲变形的情况，本文采用单向流固耦合方法，分析了药浆温度对模针变形量的影响，得到以下结论：

（1）模针出口端受压最小，与针架连接处受压最大。由于针架的固定约束，模针与针架固连处变形最小，靠近流道出口端则因边界无约束而变形最大。

（2）随药浆温度的升高，药浆黏度降低，流动性变好，挤出压力降低，模针最大变形量呈线性递减趋势。

[参考文献]

[1] 杨明金.立式捏合机混合釜内固体推进剂药浆混合的研究[D].武漢：华中科技大学，2008.

[2] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] MU Y，ZHAO G Q.Numerical study of non-isothermal polymer extrusion flow with a differential viscoelastic model [J].Polymer Engineering and Science.2008，48（2）：316-328.

收稿日期：2020-08-26

作者简介：季丹丹（1986—），女，江苏南通人，博士，工程师，研究方向：含能材料成型工艺与装备。