方 健, 胡 橋, 劉 玥, 王朝暉

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PBX型炸藥3D打印噴射理論與仿真分析

方 健1,2,3, 胡 橋1,2,3, 劉 玥1,2,3, 王朝暉1,2,3

(1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安, 710049; 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安, 710049; 3. 陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710049)

為了解決PBX型炸藥傳統(tǒng)成型耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜、控制因素多、異型產(chǎn)品成型困難等問(wèn)題, 提出了一種新的3D打印噴射成型方法。該方法基于3D打印噴射理論, 通過(guò)高精度噴射機(jī)構(gòu)將待成型材料噴射到基板上, 逐點(diǎn)堆積, 三維成型。文中對(duì)單個(gè)微滴與基板接觸、微滴堆積進(jìn)行了理論建模, 界定了火炸藥成型表面粗糙度的影響因素, 使用Fluent軟件對(duì)噴射過(guò)程進(jìn)行仿真分析, 得出主要因素為噴嘴直徑、撞針行程與驅(qū)動(dòng)壓力, 最后設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定各影響因素的關(guān)系, 證明了仿真結(jié)果與理論分析一致。該結(jié)果為PBX型炸藥新的一體化加工成型提供了理論和方法支撐。

PBX型炸藥; 3D打印噴射; 表面粗糙度

0 引言

含能材料廣泛應(yīng)用于民事與軍用領(lǐng)域, 其種類包括: 火炸藥、推進(jìn)劑、發(fā)射藥和起爆藥等。含能材料作為重要的武器能源無(wú)法從國(guó)外進(jìn)口, 制約了我國(guó)國(guó)防科技的發(fā)展。因此, 如何合成新的含能材料、改進(jìn)原有的成型技術(shù)、提出新的概念已成為該領(lǐng)域主要研究方向[1]。目前, 火炸藥3D打印的研究領(lǐng)域主要集中在含能油墨配置、含能芯片與傳爆網(wǎng)絡(luò)打印等方面[2]。早在1999年, 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局便開(kāi)始研究含能材料的增材制造技術(shù), 其主要技術(shù)手段是將火工品中所需的不同組分、黏結(jié)劑和有機(jī)溶劑配置為可打印的含能油墨, 裝入3D 打印機(jī)的噴頭中, 分別或同時(shí)打印到基片特定位置上, 然后烘干, 并固化成型為引信中的傳火傳爆序列[3]。

2010年, Ihnen等[4]以RDX作為含能原料, 乙酸乙酯纖維素和聚乙酸乙酯作為黏結(jié)劑, 配制成含能油墨打印材料, 進(jìn)行引信直寫入的試驗(yàn)。同年, Fuchsbe等[5]以EDF-11 作為含能油墨原料, 配制出可進(jìn)行復(fù)雜圖形爆炸傳遞及起爆網(wǎng)絡(luò)打印的含能油墨直寫體。在國(guó)內(nèi), 南京理工大學(xué)、中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司第204研究所、北京理工大學(xué)、中國(guó)北方化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司等多家單位都提出了增材制造技術(shù)在推進(jìn)劑藥柱制造領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)想, 并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有開(kāi)展含能藥柱的直接快速成型方法研究。鑒于3D打印噴射異型體成型精確、成型過(guò)程簡(jiǎn)單、控制因素少等諸多優(yōu)點(diǎn), 文中提出一種基于3D打印噴射成型的高聚物粘結(jié)炸藥(polyme:bonded explosive, PBX)加工新方法, 旨在解決傳統(tǒng)火炸藥成型中出現(xiàn)的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)微滴與基板接觸、微滴堆積建立理論模型, 得出表面粗糙度的影響因素。通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)組, 對(duì)噴射影響因素包括噴嘴直徑、撞針行程與驅(qū)動(dòng)壓力進(jìn)行了仿真分析, 仿真結(jié)果為后續(xù)PBX型炸藥成型工藝和量產(chǎn)提供參考。

1 3D打印噴射工作原理

1.1 噴射基本過(guò)程

3D打印噴射的核心部件為高精度機(jī)械撞針式噴射閥, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6], 主要通過(guò)撞針與噴嘴之間的配合, 在機(jī)械撞擊力作用下將微滴從噴嘴噴出, 達(dá)到成型的目的。噴射基本過(guò)程主要包括填料過(guò)程與噴射過(guò)程。圖2(a)為填料過(guò)程, 電磁閥開(kāi)啟時(shí), 在驅(qū)動(dòng)壓力作用下, 撞針與閥桿一起向上運(yùn)動(dòng), 此時(shí)微滴從噴嘴移出, 噴射腔內(nèi)體積增大, 微滴會(huì)迅速填滿整個(gè)噴射腔; 當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí), 撞針與閥桿在彈簧壓力作用下會(huì)加速向下運(yùn)動(dòng), 直到噴針接觸到底面的噴嘴之前, 一定體積的微滴被卡在噴嘴附近, 在噴針到達(dá)最低點(diǎn)時(shí), 慣性力使微滴發(fā)生噴射, 撞擊在基板上形成微滴[7]。

圖1 噴射結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 噴射理論

兩邊同時(shí)積分有

在火炸藥成型中, 慣性力為主動(dòng)力, 粘性力與表面張力為阻力, 要使微滴順利噴出, 慣性力必須克服粘性力與表面張力的大小

PBX型炸藥基體材料粘度較高, 粘性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面張力, 式(5)為噴射極限速度計(jì)算公式。

2 PBX型炸藥3D打印噴射建模

如圖3所示, 基板固定在2D平臺(tái)上, 噴射閥在方向有1個(gè)自由度, 整個(gè)裝置有3個(gè)自由度, 可以3D成型。

物體表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。3D打印噴射的成型物體表面粗糙度主要和微滴之間堆積的程度有關(guān)。圖4是單個(gè)微滴沉積到基板上的模型[9]。

2個(gè)微滴堆積從接觸開(kāi)始會(huì)發(fā)生重疊, 重疊部分會(huì)迅速填補(bǔ)空隙部分, 最理想的狀態(tài)是微滴之間的空隙剛好被重疊部分填充。

如圖6所示, 融合部分近似由2個(gè)半球體與圓柱體組成, 由質(zhì)量守恒定律, 部分圓柱體的體積可近似等于單個(gè)微滴體積

(9)

當(dāng)單個(gè)微滴堆積成線時(shí), 線與線之間堆積就形成平面, 圖7為線線成面示意圖。

當(dāng)重疊部分的面積與空隙部分的面積相等時(shí), 會(huì)達(dá)到最佳沉積效果, 即形成1個(gè)完整的平面

由此計(jì)算出

圖8為建模主要過(guò)程。

上文建立了微滴堆積成線、線線堆積成面的模型, 不同模型之間差別在于微滴沉積狀態(tài)與微滴之間中心距的不同。假設(shè)最終達(dá)到理想沉積狀態(tài)即表面完全光滑, 計(jì)算出微滴中心距的大小, 得出表面粗糙度的影響因素為微滴接觸角與微滴沉積最大直徑的大小, 通過(guò)控制這些因素可以達(dá)到控制表面粗糙度的目的。

3 PBX型炸藥3D打印噴射流場(chǎng)仿真

噴射性能的表征主要有2個(gè)因素, 由前文的分析可知, 要實(shí)現(xiàn)火炸藥微滴的噴射, 微滴的速度必須超過(guò)臨界值, 而微滴的運(yùn)動(dòng)速度受撞針噴嘴結(jié)構(gòu)等因素的影響, 同時(shí)噴射均勻性也是重要的影響因素之一, 微滴噴射一致性的好壞會(huì)嚴(yán)重影響成型質(zhì)量。文中主要針對(duì)成型的仿真研究, 在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中會(huì)對(duì)噴射均勻性做詳細(xì)的研究。此處以噴射速度作為噴射性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 撞針與噴嘴的配合方式對(duì)噴射速度的影響

圖9為噴嘴與撞針的簡(jiǎn)化模型, 上半部矩形底半部半圓所構(gòu)成的封閉圖形為撞針, 最底部長(zhǎng)矩形為噴嘴, 噴嘴與撞針中間區(qū)域?yàn)閲娚鋬?nèi)腔。

撞針與噴嘴的配合方式主要有3種(見(jiàn)圖10): 錐面與錐面、球面與錐面、球面與球面[10]。

文中采用Fluent對(duì)上述模型進(jìn)行仿真分析, 初始條件與邊界條件均相同, 噴嘴直徑為0.4 mm, 撞針行程5 mm, 驅(qū)動(dòng)壓力為0.7 MPa, 仿真結(jié)果如圖11所示。

從仿真結(jié)果可知, 最大速度分別為10.4 m/s、9.6 m/s、8.8 m/s, 即錐面與錐面配合的噴射速度最大, 錐面與球面次之, 球面與球面配合最低。由于錐面與錐面配合難度大, 不易加工, 文中選擇錐面與球面的配合方式。

3.2 噴嘴直徑對(duì)噴射速度的影響

在火炸藥微滴噴射中, 噴射速度最主要的影響因素就是噴嘴直徑的大小。根據(jù)實(shí)際噴嘴直徑的大小設(shè)置0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm, 噴射結(jié)果如圖12所示。隨著噴嘴直徑的逐漸增大, 噴射速度逐漸減小。

3.3 撞針行程對(duì)噴射速度的影響

撞針行程會(huì)影響撞針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度, 并間接影響微滴的噴射速度, 在噴射時(shí)間相同的情況下, 撞針行程越大, 噴射速度越大, 圖13為仿真結(jié)果, 與理論推測(cè)一致。

3.4 驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)噴射速度的影響

驅(qū)動(dòng)壓力指的是電磁閥的開(kāi)啟壓力, 電磁閥的通斷控制閥桿的上下運(yùn)動(dòng), 圖14為仿真結(jié)果?？梢钥闯? 驅(qū)動(dòng)壓力的影響程度較小, 隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增大, 噴射速度整體呈上升趨勢(shì)。

3.5 影響因素正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如前文所述, 影響噴射速度的主要因素有噴嘴直徑、撞針行程與驅(qū)動(dòng)壓力, 3個(gè)變量的影響程度是不同的, 由于每個(gè)影響因素的水平有多種, 如進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)則計(jì)算量較大, 文中設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)[11]對(duì)影響程度進(jìn)行分析, 表1為三因素四水平正交實(shí)驗(yàn)表。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表

運(yùn)用minitab軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知[12], 影響因素的重要程度為噴嘴直徑>撞針行程>驅(qū)動(dòng)壓力, 見(jiàn)表2。

表2 流速均值響應(yīng)表

4 結(jié)束語(yǔ)

PBX型炸藥傳統(tǒng)成型方法存在眾多缺陷, 文中提出了一種新的成型方法——3D打印噴射成型。該方法采用核心部件高精密機(jī)械撞針式噴射閥, 在機(jī)械撞針力作用下, 火炸藥成型具有很高的致密度, 理論上能解決傳統(tǒng)成型氣孔氣泡等問(wèn)題。文中所做的具體工作為:

1) 對(duì)成型質(zhì)量進(jìn)行了表征, 建立了單個(gè)微滴沉積的模型, 對(duì)線線成型與面面成型進(jìn)行了理論建模與計(jì)算, 得出控制接觸角與沉積直徑能達(dá)到最佳沉積效果;

2) 分析了常見(jiàn)噴射閥閥桿與噴嘴的配合方式有3種, 即錐面與錐面、錐面與球面、球面與球面, 然后進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果為噴射速度依次減小, 由于錐面與錐面配合難度大, 不易加工, 確定配合方式為錐面與球面;

3) 根據(jù)噴射成型的工作原理與噴射結(jié)構(gòu), 確定影響噴射速度的因素為噴嘴直徑、撞針行程、驅(qū)動(dòng)壓力的大小;

4) 通過(guò)Fluent仿真分析, 得出各影響因素的趨勢(shì), 隨著噴嘴直徑的增大, 噴射速度減小; 撞針行程越大, 噴射速度越大; 驅(qū)動(dòng)壓力的影響較小, 整體隨著壓力增大呈上升趨勢(shì);

5) 設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn), 結(jié)果與仿真分析一致, 即噴嘴直徑、撞針行程與驅(qū)動(dòng)壓力的影響程度依次減小。

文中的主要工作在于噴射的理論建模與仿真分析, 但是仿真部分僅以噴射速度作為標(biāo)準(zhǔn)是不準(zhǔn)確的, 噴射均勻性也是影響因素之一, 同時(shí)不同的噴嘴形狀也會(huì)對(duì)噴射速度產(chǎn)生影響。因此, 后續(xù)研究會(huì)針對(duì)不同噴嘴形狀做仿真分析, 進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

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(責(zé)任編輯:楊力軍)

3D Printing Injection Theory and Simulation Analysis of PBX Explosive

FANG Jian1,2,3, HU Qiao1,2,3, LIU Yue1,2,3, WANG Chao-hui1,2,3

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Intelligent Robots, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To solve the problems in conventional shaping of PBX explosive, such as long time consumption, complex process, many control factors, and difficult forming of special-shapes, a novel 3D printing injection molding method is proposed based on the theory of 3D printing injection. The material to be formed is injected onto the substrate by the high precision injection mechanism, stacking point by point until a three-dimensional shape is obtained. In this paper, a theoretical model of single droplet contacting with substrate and droplet accumulation is established, and the factors influencing the surface roughness of the formed explosive are defined. These main factors, such as thenozzle diameter the striker stroke and the driving pressure, influencing the injection are found by simulation analysis using the software Fluent. In addition, orthogonal experiments are designed to determine the relationship among the factors, hence the simulation results are proved to be consistent with the theoretical analysis. This study may provide theoretical and methodological supports for integrated shaping of PBX explosive.

PBX explosive; 3D printing injection; surface roughness

TJ6; TJ55; TH441

A

2096-3920(2018)02-0140-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.007

方健, 胡橋, 劉玥, 等. PBX型炸藥3D打印噴射理論與仿真分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 140-145.

2017-11-20;

2018-01-09.

國(guó)家自然科學(xué)基金“用于食品安全檢測(cè)的聲表面波微流控系統(tǒng)”項(xiàng)目資助(51575441).

方 健(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)橹悄苤圃臁⒒鹫ㄋ?D打印等.