向紅軍，施洪杰，呂慶敖，喬志明，苑希超

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

1 引言

廢舊彈藥是指由于達(dá)到存儲(chǔ)年限或者戰(zhàn)場(chǎng)遺棄，導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)不能滿足作戰(zhàn)訓(xùn)練要求而失去軍事利用價(jià)值的彈藥[1]。裝藥倒空是廢舊彈藥無害化處理非常重要的前期步驟，已經(jīng)成為廢舊彈藥處理的主體內(nèi)容[2]。各國(guó)圍繞裝藥倒空相繼開展研究，已經(jīng)有多種方法應(yīng)用于彈丸裝藥倒空，例如蒸汽加熱倒空法[3]、高壓水射流沖洗倒空法[4]、水力空化倒空法[5-7]、冷循環(huán)倒空法[8]、有機(jī)溶劑沖洗倒空法等。蒸汽加熱倒空法由于設(shè)備簡(jiǎn)單，倒藥效率較高，操作方便、安全，因而成為我軍主要使用的裝藥倒空方法。然而，該方法也存在污染環(huán)境、裝藥適用范圍較小、能量利用率低等局限性。為解決上述問題，改進(jìn)倒空方法勢(shì)在必行。在改進(jìn)加熱方式上，電磁感應(yīng)加熱因?yàn)閺V泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，被研究者所青睞。美國(guó)于2006年首次提出電磁感應(yīng)加熱倒空法，并用內(nèi)裝B炸藥的60 mm迫擊炮彈做倒空試驗(yàn)，在功率為4 kW時(shí)有99.1%的裝藥被倒空；軍械工程學(xué)院設(shè)計(jì)了感應(yīng)制熱式彈丸裝藥倒空裝置[9]，從理論上分析了倒藥過程的安全性。

本文基于加熱熱源的不同，結(jié)合前人所做工作，指出電磁感應(yīng)加熱倒空法將成為倒空技術(shù)研究的主要方向之一，并以榴彈炮預(yù)制破片彈為例，介紹了電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在倒空裝藥中的應(yīng)用，進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了電磁感應(yīng)加熱倒空法的可行性。

2 感應(yīng)加熱倒藥方法原理分析

電磁感應(yīng)加熱是利用某一頻率的交變電流通過線圈產(chǎn)生相同頻率的交變磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)的磁力線通過加熱工件時(shí)，將在加熱工件中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而產(chǎn)生渦流[10]。

由于彈丸殼體是鐵制材料，在歐姆加熱效應(yīng)的作用下，隨著感應(yīng)電流和磁化電流在彈丸殼體中的流動(dòng)，殼體溫度將迅速升高，同時(shí)產(chǎn)生的熱量將從彈丸殼體外表面向內(nèi)表面?zhèn)鬟f，并對(duì)與彈丸殼體內(nèi)表面接觸的彈丸裝藥產(chǎn)生傳導(dǎo)加熱作用。當(dāng)處于接觸面的彈丸裝藥達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，接觸面處的彈丸裝藥將率先熔化并開始剝離彈丸殼體內(nèi)表面，直至所有的裝藥都達(dá)到熔點(diǎn)后變成液體，最后使彈體開口向下，裝藥從口部流出，達(dá)到倒空裝藥的目的。

從上述過程可以看出，對(duì)彈丸裝藥加熱的過程是一種傳導(dǎo)性加熱，并不是直接對(duì)裝藥進(jìn)行加熱。由于傳導(dǎo)加熱過程中的熱量積累需要一定的時(shí)間，因此彈丸裝藥的溫度不會(huì)產(chǎn)生突變；另一方面，對(duì)彈丸裝藥進(jìn)行加熱過程中，裝藥的熔點(diǎn)和發(fā)火點(diǎn)之間一般存在較大的溫度緩沖區(qū)間，因此在加熱過程中可通過設(shè)置合理參數(shù)，使得溫度在未達(dá)到發(fā)火點(diǎn)時(shí)倒空裝藥。從理論上分析，采用電磁感應(yīng)制熱彈丸裝藥倒空技術(shù)，可以確保應(yīng)用過程中的安全性，具有加熱效率高、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、污染小等[11]優(yōu)點(diǎn)。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 電磁場(chǎng)數(shù)值模型和溫度場(chǎng)數(shù)值模型

感應(yīng)加熱電磁場(chǎng)的控制方程可以用麥克斯韋方程組表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

熱分析數(shù)值模型可由能量方程表示[12]

(5)

在這個(gè)方程中，s表示可能有的內(nèi)熱源，在邊界上溫度場(chǎng)需要滿足的邊界條件一般有兩類：

1) 在邊界上施加一定的溫度條件，這類邊界記為Г1：

T=T0

(6)

2) 在邊界上施加一定的熱流密度條件，這類邊界記為Г2：

(7)

式中：T為區(qū)域外周圍的環(huán)境溫度，TГ2是邊界上的溫度分布，he為邊界與外部的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，n為區(qū)域指向外部的法向向量。在本文中取第一類邊界條件，即設(shè)置模型及其周圍空氣處于某固定溫度值。

3.2 磁熱耦合計(jì)算方法

電磁感應(yīng)加熱過程中，感應(yīng)電流產(chǎn)生渦流，繼而產(chǎn)生熱量，引起工件溫度升高，而溫度升高后又引起材料導(dǎo)電、導(dǎo)磁的性能變化，整個(gè)過程是電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)互相影響的過程。因此，在進(jìn)行仿真計(jì)算的時(shí)候，一般采用耦合場(chǎng)計(jì)算的方法。耦合場(chǎng)計(jì)算可分為2種：直接耦合和順序耦合。直接耦合是利用包含所有必需自由度的耦合單元類型，通過一次求解，得出耦合場(chǎng)的分析結(jié)果。順序耦合是將前一個(gè)分析中的結(jié)果作為載荷施加到第2個(gè)分析中，2個(gè)分析屬于不同的物理環(huán)境[13]。直接耦合法對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，計(jì)算效率較低，因此本文采用順序耦合的方法，利用ANSYS通用有限元軟件中的Mechanical APDL模塊進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，分析流程如圖1所示。

圖1 磁-熱耦合場(chǎng)分析流程框圖

4 感應(yīng)加熱有限元模型的建立

4.1 有限元模型的建立

針對(duì)某型榴彈炮預(yù)制破片彈進(jìn)行仿真研究。該種彈最大直徑122 mm，口部直徑62 mm，尾部直徑80 mm，高度590 mm，彈體外殼設(shè)置均勻厚度為5 mm，裝藥高度390 mm，裝藥頂部距彈丸口部60 mm。電磁感應(yīng)加熱彈丸示意圖如圖2。

圖2 電磁感應(yīng)加熱彈丸裝藥示意圖

因?yàn)閺椡枋禽S對(duì)稱圖形，所以建立二維軸對(duì)稱數(shù)值模型，在電磁場(chǎng)分析和溫度場(chǎng)分析中分別采用PLANE53單元和PLANE55單元，熱輻射采用SURF151表面效應(yīng)單元，這樣可以更容易建立模型，簡(jiǎn)化計(jì)算過程。在溫度場(chǎng)仿真時(shí)由于只關(guān)心彈丸及其內(nèi)部裝藥的溫度變化情況，所以將線圈和空氣設(shè)置為無效單元。

由于存在集膚效應(yīng)，透入深度通常隨電流頻率的不同而變化。本文中，在電流頻率、電阻率等給定的情況下，計(jì)算可得透入深度為3×10-5m。在網(wǎng)格劃分時(shí)在透入深度內(nèi)劃分1至2層單元。整體的網(wǎng)格劃分遵循精度高的區(qū)域采用較細(xì)的劃分，精度要求低的區(qū)域采用較疏的劃分原則[14]。

4.2 模型計(jì)算參數(shù)

該種彈裝藥為TNT，熔點(diǎn)為80.9 ℃，點(diǎn)火溫度為275 ℃，爆燃點(diǎn)為300 ℃，也就是說只要嚴(yán)格控制裝藥最高溫度在200 ℃以下，就可以盡可能避免安全事故的發(fā)生。模型具體計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

鋼材料采用45號(hào)鋼，考慮材料參數(shù)隨溫度的變化情況。圖3～圖6表示鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率、電阻率、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容隨溫度的變化曲線。

圖3 比熱容-溫度變化曲線

圖4 熱傳導(dǎo)系數(shù)-溫度變化曲線

圖5 相對(duì)磁導(dǎo)率-溫度變化曲線

圖6 電阻率-溫度變化曲線

5 仿真結(jié)果分析

5.1 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果

圖7為彈丸及其附近區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布云圖。從圖7中可以看出，線圈外部的空氣中幾乎不存在磁場(chǎng)，磁場(chǎng)主要分布在線圈與彈丸中間的區(qū)域內(nèi)，在彈丸外殼處磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇減小至零?？梢钥闯?，由于集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)致渦流的透入深度很??；線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)彈丸內(nèi)部裝藥幾乎不產(chǎn)生影響。

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

圖8為整個(gè)模型的磁力線分布圖，從圖8中可以看出磁力線密集的分布在線圈和彈丸表面的中間區(qū)域，沿彈丸軸線方向分布，且在外殼和線圈表面處電磁力最大，這是由于交變電流通過線圈時(shí)在線圈和彈丸外殼表面產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng)，使得線圈和彈殼表面電流增大，電磁力增加。彈丸殼體受到交變磁場(chǎng)影響較大，符合感應(yīng)加熱的規(guī)律。

圖8 磁力線分布圖

5.2 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

圖9～圖12為TNT和彈丸外殼在30 s、60 s、90 s和120 s時(shí)的溫度場(chǎng)變化圖。從圖9～圖12可以看出，溫度最大值在彈丸外殼的頂部與底部，在加熱120 s時(shí)溫度高達(dá)256 ℃，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)產(chǎn)生的渦流損耗集中在彈丸外殼處，在這兩處沒有TNT造成熱量損失；溫度從彈丸外至內(nèi)大致是遞減的，在較長(zhǎng)加熱時(shí)間的情況下，熱傳導(dǎo)的現(xiàn)象很明顯，使得外殼的熱量能夠較好地傳遞到內(nèi)部裝藥中。

圖9 30 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖

圖10 60 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖

圖11 90 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖

圖12 120 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖

圖13為TNT的溫度場(chǎng)在120 s時(shí)的分布云圖。從圖13可以看出，在給定參數(shù)的前提下，加熱120 s時(shí)TNT最高溫度為192 ℃，低于規(guī)定的200 ℃，符合安全要求；感應(yīng)加熱過程中，TNT大部分能夠被傳導(dǎo)加熱至80.9 ℃以上，表明感應(yīng)加熱方法能夠使彈丸內(nèi)部裝藥熔化，從而以液態(tài)從彈口流出，適當(dāng)延長(zhǎng)加熱時(shí)間能夠更好地提高倒藥效率；TNT中部加熱效果較好，而頂部和底部加熱效果相對(duì)較差，這是因?yàn)閺椡锜彷椛渲行奈挥趦?nèi)部，外部與空氣進(jìn)行熱擴(kuò)散，熱量損耗較快，所以導(dǎo)致兩端熱中心溫度較低。

圖13 TNT的溫度分布云圖(t=120 s)

圖14是TNT在30 s、75 s和120 s時(shí)彈丸裝藥頂部徑向溫度分布曲線圖，橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)到軸線處的距離，縱坐標(biāo)為溫度。從圖14可以看出，雖然在理想情況下彈殼與彈藥的溫度分布應(yīng)該是按照沿徑向由外向內(nèi)均勻降低的，但是由于網(wǎng)格劃分不均勻且彈丸形狀相對(duì)不規(guī)則，導(dǎo)致在徑向存在不同的溫度梯度；彈丸殼體上的渦流損耗產(chǎn)生的熱量對(duì)TNT實(shí)現(xiàn)了傳導(dǎo)加熱，并使TNT的溫度得到升高，而且彈丸殼體和TNT接觸面的裝藥溫度要高于中心裝藥的溫度。

圖14 不同時(shí)刻TNT頂部徑向溫度分布曲線

圖15是彈丸軸線中心處節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線，橫坐標(biāo)為加熱時(shí)間，縱坐標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的溫度。從圖15中可以看出，該節(jié)點(diǎn)在150 s的時(shí)間內(nèi)溫度上升了62.41 ℃，且在剛開始加熱的一段時(shí)間內(nèi)溫度升高不明顯，這是因?yàn)閺椡柰鈿さ臏u流損耗產(chǎn)生的熱量未完全傳遞至裝藥內(nèi)部。隨著加熱持續(xù)，溫度隨時(shí)間的變化基本呈線性變化的趨勢(shì)，且升溫速率與加熱頻率成正相關(guān)，控制加熱頻率，可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到裝藥熔化所需溫度。

圖15 彈丸軸線中心處節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

6 結(jié)論

1) 電磁感應(yīng)加熱過程中彈丸裝藥能夠被加熱至熔點(diǎn)，從彈丸口部流出。

2) 電磁感應(yīng)加熱彈丸裝藥倒空技術(shù)的加熱效率高，加熱效果好。從仿真結(jié)果可看出，利用電能作為熱源對(duì)彈丸裝藥加熱，在120 s內(nèi)可使裝藥達(dá)到192 ℃的溫度，這是蒸汽加熱倒空法不能達(dá)到的。

3) 電磁感應(yīng)加熱彈丸裝藥倒空技術(shù)安全性較好。仿真結(jié)果顯示：TNT的最高溫度為192 ℃，低于TNT的發(fā)火點(diǎn)(275 ℃)。在參數(shù)設(shè)置正確的前提下，彈丸裝藥不會(huì)受熱爆炸，能夠最大限度地保證人員和設(shè)備的安全。

4) 電磁感應(yīng)加熱能夠快速、安全、可靠地將彈丸裝藥加熱到所需的溫度，使其熔化成液態(tài)倒出，滿足目前含有高熔點(diǎn)裝藥的彈丸裝藥倒空需求。因此，電磁感應(yīng)加熱在彈丸裝藥倒空中，具有較好的應(yīng)用前景。