典型含能材料单螺杆压伸过程模拟分析①

李 敏，薛 平，王江宁，宋秀铎，张 军

(1.北京化工大学，北京 100029；2.西安近代化学研究所，西安 710065)

0 引言

含能材料是指在没有外界物质参与下即可持续反应，并在短时间内快速释放出巨大能量的一类物质[1]。含能材料一般包括发射药、推进剂和混合炸药等[2]。含能材料的研发与成型加工技术进步是能源及武器创新发展的重要推动力量之一，是国家经济与国防力量的技术和物质基础[3]。含能材料的加工方式一直是各国研究的热点[4]。在实际生产中，含能材料的成型工艺通常有捏合法、压延法、浇注法、溶剂法、螺压成型等，其中最常见、使用最广的是螺旋压伸成型工艺。螺压成型是将物料通过螺杆进行压缩然后成型的工艺，这种方法具有生产工艺简单、性能优良及质量一致性好等优点，在目前的工业制造中占有十分重要的地位[5]。用于连续加工含能材料的螺压机需要具备各种类型的安全特性，因此有别于民用工业常用的挤出机[6]。含能材料的热感度、剪切敏感度等都较高，在受到强烈的撞击、摩擦、电火花、冲击及过高的温度及压力作用下，易发生燃烧甚至爆炸[7-8]。在螺压工艺中，物料在机筒内同时存在着剪切、混合与塑化作用。因此，必须重视含能材料螺压过程的安全性。

本文拟使用单螺杆挤出专用软件Virtual Extrusion Laboratory (VEL)软件，对典型含能材料的压伸工艺过程进行模拟仿真，同时使用POLYFLOW软件对均化段进一步分析，得到各特征场量的分布情况，进而研究分析其变化规律，从而达到指导优化设备及安全加工工艺设计的目的，使压伸过程更加地高效、安全。

1 建立典型含能材料的材料数据

本文研究所使用的物料为双基推进剂，是一种典型的含能材料，其流变行为比较复杂，开始呈现宾汉姆型，当剪切应力超过极限剪切应力时开始流动，然后呈现假塑性流动[9]。

根据物料的属性参数，在VEL软件的材料库模块中建立物料的材料数据，其流程如图1所示。

图1 材料数据建立过程

物料相关参数由合作单位提供，分析流变数据可知，物料的粘度随剪切速率的增大而减小，符合假塑性流体特征，可用幂律模型来描述。同时考虑温度对粘度变化的影响，采用Arrhenius粘温方程进行修正。综合得到与剪切速率和温度相关的本构方程：

(1)

使用VEL软件对5组不同温度下的流变数据进行拟合，得到如图2所示粘度曲线，拟合所得方程与所用流变数据的拟合度达到98%。得到方程参数：m=5.86×106，n=0.15，b=0.025 6，并取参考温度T0=90 ℃。随后完成其余物料参数的设置，包括密度、比热容、热导率、熔融焓、物料与螺杆及机筒的摩擦系数等。

图2 流变参数及拟合结果

2 构建物理模型及设置工艺条件

本研究所采用的模型中，机筒采用内壁开设全程直沟槽的结构，而螺杆则采用双头螺棱结构。

加工过程的主要工艺条件如下：加热方式采用螺杆芯部加热，保持温度为75 ℃，螺杆转速为5 r/min，机头背压设定为20 MPa。

2.1 在VEL软件中构建物理模型

在软件的单螺杆挤出模块中构建参数化物理模型。具体操作：在挤出机结构设置界面窗口完成各项参数的设置，包括料斗尺寸、螺杆各区段结构和沟槽机筒结构。设置的整机示意图如图3所示。

图3 整机结构示意图

如图3所示，下面部分为整个设备的示意图，上面部分对应为固体输送段和均化段的螺槽结构示意图。主要的结构参数如表1所示。

表1 螺杆及机筒沟槽的结构参数

2.2 用于POLYFLOW软件的三维建模与网格划分

采用Solidworks软件，对均化段螺杆及流体区域进行三维实体建模。由于流道较为复杂且螺杆转动过程中流体区域在不断变化，这里把流体区域内壁简化为中空圆柱，计算时利用网格重叠技术，保证结果收敛的同时提高计算效率。然后，将模型分别导入到Workbench自带的Mesh工具中进行网格划分，网格划分结果如图4所示。其中，螺杆网格48万，流体网格96万。

(Screw grid (b)Fluid grid

边界条件设置如表2所示，为简化计算过程，现进行必要假设：均化段物料不可压缩，壁面无滑移，流动充分发展，忽略惯性力和重力。

表2 POLYFLOW中所设边界条件

3 模拟结果分析与讨论

经过上述参数设置及模拟计算可得到物料压伸过程的数值求解结果。下述结果包括沿挤出方向的二维结果及图5(a)中X=150 mm处的竖直平面plane 1上的结果。下述plane 1平面的结果曲线中，横坐标代表沿螺槽深度方向的位置，如图5(b)所示，0代表螺槽底部，1处为机筒内表面。

(Location of plane 1

3.1 固体床曲线分析

所得固体床曲线为典型曲线，固体床宽度始终减小。如图6所示，纵坐标代表相对固体量，1代表完全为固体，0代表完全为流体。固体输送段(X=0～ 69 mm)纵坐标一直为1，物料状态未发生改变，只是在末端形成了密实的固体塞；进入压缩段后(X=69～87 mm)，曲线下降，相对固体量减小，颗粒互相粘结形成固体床，在摩擦与剪切作用下，物料开始塑化。减少的固体床为塑化物料的流动提供了更多的空间，而已塑化的部分流动性大，随着物料向前推移，塑化区逐渐加宽，固体床变窄，直至进入均化段(X=87～165 mm)纵坐标减小至0，固体床完全消失。整条曲线比较平滑，说明塑化过程和流动过程稳定。

图6 固体床曲线

3.2 速度分析

螺压工艺中挤出产量与物料速度密切相关，速度越大，则产量也越大，但过大的速度则意味着大的剪切速率及剪切热，会有爆燃的危险。因此，速度是压伸过程中必须注意的参数之一[10]。

图7(a)为plane 1平面上沿挤出方向的速度分布曲线。可见，沿挤出方向的最大速度为1.85 mm/s，发生在流道的中间位置，而在螺棱顶部存在着反向的速度，即物料产生回流，这对于物料的混合塑化是十分有利的。图7(b)为POLYFLOW计算的均化段沿挤出方向的XZ平面速度云图，最大值为1.75 mm/s，数值上与前述结果相近。

(Velocity curve of plane 1

3.3 温度分析

系统的全程平均温度Tb和最大温度Tmax如图8(a)所示，平均温度最高达到108 ℃，最高温度最大为126 ℃，温度的变化主要发生在压缩段。在固体输送段温度基本维持保温温度不变，随着物料逐渐被压实，在固体输送段末端物料受挤压和摩擦作用温度略有上升；进入压缩段后，物料塑化过程伴有强烈的剪切和摩擦作用，系统的温度迅速升高；随着塑化的进行，温度升高使得物料流动性增强，在均化段中物料温度逐渐趋于平稳。另外，由于螺杆芯部加热温度及机筒温度均不高，剪切作用对温度的影响明显。

图8(b)所示为平面plane 1上的温度分布曲线图。由图中曲线可知，最大温度出现在螺槽底部至机筒内壁的中部位置，并向机筒内壁和螺杆根部逐渐减小，此时螺杆和机筒均起到冷却的作用，这也是均化段物料温度变化很小的原因。

图8(c)中POLYFLOW的结果也印证了上述温度的分布规律，并且从轴向上看，温度最大值出现在螺棱背面处。

(Average temperature and maximum temperature curves

3.4 压力分析

图9为全程压力曲线及XZ平面的压力分布。如9(a)所示，最大压力约为23 MPa。在固体输送段压力较小；进入压缩段后，由于物料软化使得黏性阻力增大且螺槽逐渐变浅，压力不断增大，并在压缩段末端达到峰值；随着塑化过程的进行，系统内温度升高，物料流动性增强，所受阻力减小，部分压力被消耗转化为动能，因而系统压力有所降低，随后压力变化趋于平稳。而图9(b)显示，靠近螺棱处的压力比较大，压力最大值出现在螺棱推进面上方，其最大值达28 MPa，这与VEL的结果较为吻合。

(Global pressure curve

3.5 剪切应力及剪切速率分析

图10 为剪切模拟结果。机筒内壁附近的剪切应力及平均剪切速率的分布如图10(a)所示。

(Shear stress and shear rate curves

由图10可知，在压缩段随着流体的流入，剪切应力及剪切速率迅速增大，在均化段则缓慢增加，至出口附近剪切应力最大，达到5.77 MPa。剪切应力及剪切速率的变化情况也印证了：压缩段温度升高的主要是由剪切生热所引起。如图10(b)为plane 1面上的剪切速率曲线，最大值发生在螺棱顶部附近，而图10(c)的POLYFLOW的结果也显示了均化段中剪切速率的在XZ平面的分布情况，剪切速率的最大值的位置和数值基本符合前述结果。

4 工艺参数对压伸过程的影响

为探究不同工艺对压伸过程的影响，分析了不同螺杆温度及不同转速下的各场量沿挤出方向的变化情况。

4.1 背压对压伸过程的影响

实际加工过程中，经螺压机塑化后的药料，流入模具后制成稳定制品。模具内存在着较大的阻力，因而模拟时需在螺杆出口处设置一定的背压作为出口条件。分别设置背压为15、17.5、20、22.5、25 MPa，以探究背压对于模拟结果的影响。

全程压力变化如图11所示，背压对压力的影响主要在均化段，离出口越远差异越小，对压力的峰值影响不大。出口处平均温度及机筒处的最大剪切应力变化如图12所示，二者均变化不大。整体而言，背压值的设定只对均化段压力有一定影响，因而设置时可根据实际加工中的测试压力或者经验值进行设置。

图11 压力随背压的变化情况

图12 温度及剪切应力随背压的变化情况

4.2 螺杆温度对压伸过程的影响

首先，保证其他条件不变，改变螺杆芯部温度，分别为70、75、80、85、90 ℃。对模拟结果进行分析。

压伸过程中平均温度随螺杆温度的变化如图13所示，在固体输送段物料的温度基本还处在保温温度，此时螺杆温度对物料的影响很小；进入压缩段后，物料温度随螺杆温度的增加而增大，且温度变化梯度基本保持不变。从数值上看，螺杆温度每升高1 ℃，物料平均温度增大0.3 ℃左右。而压力随螺杆温度的升高而减小，如图14所示。螺杆温度升高，物料的温度也会随之增大，流道内物料的流动性增强，所受阻力下降，因而挤压压力也下降。

图13 平均温度随螺杆温度的变化情况

图14 压力随螺杆温度的变化情况

物料在挤出机中受螺杆的剪切作用而被塑化，而其塑化程度可以通过物料在机筒内所受剪切作用的大小来判断。剪切应力越大，则有利于物 料塑化。但过大的剪切速率不利于加工安全性。最大剪切应力随螺杆温度变化的情况如图15所示。机筒及螺杆处的最大剪切应力都随螺杆温度的增大而减小，且螺杆处的剪切应力下降得更为明显。这主要是因为温度升高使得物料粘度降低，分子间作用力变小，从而造成流道中物料所受剪切应力变小。另一方面，螺杆温度的改变所造成的影响与到螺杆的距离有关，越靠近螺杆处影响越大，故螺杆附近的剪切应力随螺杆温度的变化也更为明显。

图15 最大剪切应力随螺杆温度的变化曲线

4.3 螺杆转速对压伸过程的影响

物料在机筒内的剪切塑化过程是由螺杆的转动提供外力剪切、挤压物料，因此螺杆转速对压伸过程有着很大的影响。保证其他条件不变，分别设置转速为3、5、7、9 r/min，对仿真结果进行分析。剪切速率的变化如图16所示，剪切速率与螺杆转速成正相关。随着转速的增加，剪切速率不断增大，这也意味着剪切热的增加与温度的升高。这对压伸过程是不利的，很容易造成局部过热而发生危险。而温度的变化如图17所示，平均温度随转速的增加而增大。

图16 最大剪切速率随螺杆转速变化的情况

图17 温度随螺杆转速变化的情况

由温度变化梯度可知，由于工作转速低，较小的转速增量也意味着很大的转速增比，对物料温度的影响非常明显。但低的转速则会造成物料停留时间增加，不利于加工的安全性，且低转速下产量小。因此出于安全考虑，转速不宜改变，必须控制在很窄的区间内。

5 螺杆结构对压伸过程的影响

为探究结构对压伸过程的影响，分析了不同压缩比及不同螺距的螺杆结构下各场量沿挤出方向的变化情况。

5.1 不同压缩比对压伸过程的影响

螺杆压缩比ε是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，表示物料通过螺杆的全过程被压缩的程度[11]。压缩比对压伸过程会产生明显的影响效果。过大的压缩比，不仅会增大挤压负荷，且不利于加工安全性；而压缩比过小，则达不到产品塑化要求。

在其他条件不变的情况下，分别选取压缩比为1.8、2、2.2、2.4、2.6进行模拟，得到了各项参数的变化情况。

如图18为全程压力随压缩比的变化情况，压缩比对压力的影响很大。

图18 压力随压缩比的变化情况

随着压缩比从1.8增加至2.6，压力峰值也从13.6 MPa增加到25.6 MPa。螺杆处的剪切应力最大值与剪切速率沿螺槽方向的最大值的变化如图19所示，随着压缩比的增大，螺杆建压能力增强，因而机筒内压力增大，使物料的流动速度增大，因而剪切速率及剪切应力也有所增加。当压缩比从1.62增大至2.25时，最大剪切速率从8.8 s-1提高到11.3 s-1，螺杆表面处最大剪切应力从5.98 MPa增至6.55 MPa。

图19 剪切应力及剪切速率随压缩比的变化情况

5.2 不同螺距对压伸过程的影响

螺距决定物料在机筒内停留时间，也影响物料的混合塑化。在其他条件不变的情况下，改变螺杆的螺距S，分别选取螺距为14、16、18、20、22 mm进行模拟，得到了如下结果。

沿挤出方向的速度vx的最大值变化情况如图20所示。随着螺距的增加，螺旋角增大，速度明显增大。当螺距从14 mm增大至18 mm时，最大挤出速度从1.76 mm/s提高到2.12 mm/s。挤出速度物料速度增大将使挤出产量增大，这对压伸过程有利。同时，图21的结果显示，平均温度略有增大，而压力先增加后减小，但总体变化不大。

图20 最大速度随螺距的变化情况

图21 最大压力和平均温度随螺距的变化情况

综上所述，物料速度的增大使得剪切速率增大，因而物料温度也略有升高。而螺距变化对压力的影响较为复杂。理论上，螺杆的螺距越大建压能力越强，压力又同时受物料流动性的影响，部分压力被转化为动能。因此，压力的变化并无单一的增减趋势，是综合影响的结果。

6 结论

(1)压伸过程中，沿挤出方向的速度比较稳定，最大速度为1.85 mm/s，出现在螺槽中部位置，而在螺棱顶部存在着回流，因此物料具有较好的塑化效果；整个过程物料逐渐被压实并建立压力，压力峰值出现在压缩段末端，约为23 MPa；温度随着物料的塑化过程而不断升高，总体来说，温度在螺棱背侧的流道中部位置取得最大值，向螺槽底部和机筒壁面温度逐渐减小。

(2)工艺条件中，背压主要影响均化段的压力，而螺杆温度和螺杆转速是影响压伸过程的重要因素。升高螺杆温度后物料温度随之增大，物料流动性增加，阻力下降，系统内压力下降，而剪切速率及剪切应力略有降低，即塑化稍差。因此，可在安全范围内调节螺杆温度来提高成型制品的质量。

(3)由于压伸过程螺杆转速很低，较小的转速增量也会使其增比很大。增大螺杆转速，物料的剪切速率和温度均明显增大。当螺杆转速从3 r/min增加至9 r/min时，温度由98.7 ℃增至120.2 ℃，剪切速率由5.1 s-1增至24.9 s-1。由剪切作用增强引起的温升非常明显，这很容易造成过热而产生危险。因此，为保证安全性，成型过程中不宜提高螺杆转速。

(4)压缩比增大对建压过程有利，且不易引起温升。当压缩比从1.8增加至2.6，压力峰值也从13.6 MPa增加到25.6 MPa，而温度变化较小。因此可在安全压力范围内适当增大压缩；而螺距主要对物料挤出速度有较大的影响。