一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法与流程

1.本发明涉及含能材料、火炸药技术领域，特别是涉及一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法。


背景技术：

2.炸药散粒体颗粒的压制成型是压装战斗部装药的关键，其过程是将散粒体颗粒模化成致密化药柱并赋予功能特性。压制成型过程的工艺参数、过程参数等动态数据的实时获取及同步分析，直接影响着散粒体的成型质量。
3.炸药散粒体压制成型过程是利用外加压力将刚性有限空间中的散粒体颗粒挤压密实，使其模化成具有一定形状、尺寸的致密化药柱的过程，期间赋予其所需的力学性能和功能特性。在压制成型时热力耦合作用下，散粒体颗粒间空隙逐渐减小、接触面积增加，其堆积趋向最小体积粘结装填，此过程伴随着散粒体温度分布、应变分布及应力分布等成型过程特征参数的动态变化。
4.散粒体压制成型过程特性参数直接影响着最终的成型质量，而现有表征手段及分析方法较难准确获取特征参数的实时变化规律，导致过程参数的精准调控难以实现，致使成型后散粒体存在内部缺陷较多、密度较低、各向密度差较大等问题，严重影响成型质量。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供用于克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法。基于有限元数值计算及分析技术，以获取不同工艺条件下成型过程散粒体温度分布、应力分布的实时动态变化规律。
6.本发明提供了如下方案：
7.一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，包括：
8.根据成型压机所用成型模具装配体的真实结构及尺寸，按照比例构建散粒体压制成型工艺几何模型；所述成型模具装配体包括散粒体颗粒、成型模具主体、模具底座、加热套及循环加热介质；
9.对所述散粒体压制成型工艺几何模型进行有限元划分；按照热传导的传热方式，采用瞬态传热偏微分方程构建散粒体压制成型过程传热数学模型；
10.根据所述散粒体压制成型工艺参数、所述成型模具装配体的热力学特征参数及散粒体颗粒物化性能，设置有限元数值计算初始边界条件，建立散粒体压制成型过程特征参数数值计算模型；
11.采用所述数值计算模型，计算不同工艺条件下散粒体压制成型过程特征参数，获得成型过程散粒体特征参数的实时动态变化规律。
12.优选地：所述成型压机为液压油为工作介质的双向成型压机，成型压力为0～25千牛、成型压制数量0～50毫米/秒、成型温度为室温～90℃。
13.优选地：所述模具底座放置于所述成型模具主体中，所述散粒体颗粒装载于所述
成型模具主体内，所述加热套包裹于所述成型模具主体外侧，所述循环加热介质用于向所述加热套提供热源。
14.优选地：所述成型模具主体、所述模具底座材料为高强度合金钢，所述加热套材料为铜合金，所述循环加热介质为水或硅油。
15.优选地：所述散粒体颗粒包括88～97％单质炸药为主体、2～10％高分子聚合物的粘合剂包覆层、0～3％的助剂。
16.优选地：所述散粒体压制成型工艺几何模型的有限元划分采用四面体网格划分方式。
17.优选地：所述散粒体颗粒以及所述模具底座的网格尺寸为1～5毫米，所述成型模具主体、所述加热套以及所述循环加热介质网格尺寸为5～15毫米。
18.优选地：所述散粒体压制成型工艺参数包括压制压力2～25兆帕、压制速率1～50毫米/秒、压制温度室温～90℃、保温时间5～180分钟和保压时间5～180分钟。
19.优选地：所述有限元数值计算初始边界条件包括所述散粒体颗粒、所述成型模具主体、所述模具底座、所述加热套以及所述循环加热介质的初始温度为室温～90℃；所述散粒体颗粒与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为200～1000w/m2/k，所述加热套与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为500～1800w/m2/k，所述循环加热介质与所述加热套的界面间热交换系数为2000～8000w/m2/k；散粒体压制成型过程有限元数值计算最小时间步长为0.1～2.0秒，最大时间步长为5～15秒，计算时长为根据实际散粒体压制成型工艺所确定，计算结果数据存储最小时间间隔为0.1～2.0秒。
20.优选地：所述散粒体压制成型过程特征参数包括炸药散粒体压制成型过程温度分布、应变分布及应力分布。
21.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
22.本技术实施例提供的一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，能够准确计算出散粒体在成型过程中特征参数的实时变化规律，有效分析出散粒体的温度分布、应变分布及应力分布等特性参数随不同压制工艺条件的动态变化规律。相同工艺条件下，炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算结果与其实际压制成型过程所测得的特征参数试验结果误差值小于10％，此数值计算方法具有较高准确度。炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算及分析方法能够有效弥补当前实际表征手段对散粒体在致密非透明受限空间成型过程特征参数表征的不足，可为不同工艺条件下压制成型过程中散粒体温度场、应变场及应力场变化规律研究提供直观且准确的实时数据支撑，可为成型工艺参数的精准控制及成型质量的进一步提升奠定理论基础。同时，该方法无需特殊设备及苛刻试验条件，方法便捷，操作简单，具有巨大的应用前景。
23.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法的流程图；
26.图2是本发明实施例提供的炸药散粒体成型模具装配体的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的炸药散粒体成型模具装配体的俯视图；
28.图4是本发明实施例提供的a-a面的剖视图；
29.图5是本发明实施例提供的炸药散粒体压制成型工艺几何模型示意图；
30.图6是本发明实施例提供的有限元划分径向切面截图；
31.图7是本发明实施例提供的不同时刻散粒体压制形成工艺几何模型的温度分布云图；
32.图8是本发明实施例提供的不同时刻散粒体压制形成工艺成型模具主体温度变化曲线图；
33.图9是本发明实施例提供的不同时刻成型模具主体温度计算结果示意图；
34.图10是本发明实施例提供的成型模具主体降温过程温度平行结果与平均值的差值百分比对比图；
35.图11是本发明实施例提供的成型模具主体温度变化曲线图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.参见图1，为本发明实施例提供的一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，如图1所示，该方法可以包括：
38.根据成型压机所用成型模具装配体的真实结构及尺寸，按照比例构建散粒体压制成型工艺几何模型；所述成型模具装配体包括散粒体颗粒1、成型模具主体2、模具底座3、加热套4及循环加热介质5；具体的，所述成型压机为液压油为工作介质的双向成型压机，成型压力为0～25千牛(kn)、成型压制数量0～50毫米/秒(mm/s)、成型温度为室温～90℃。所述模具底座3放置于所述成型模具主体2中，所述散粒体颗粒装1载于所述成型模具主体2内，所述加热套4包裹于所述成型模具主体2外侧，所述循环加热介质5用于向所述加热套4提供热源。所述成型模具主体、所述模具底座材料为高强度合金钢，所述加热套材料为铜合金，所述循环加热介质为水或硅油。所述散粒体颗粒包括88～97％单质炸药为主体、2～10％高分子聚合物的粘合剂包覆层、0～3％的助剂。
39.对所述散粒体压制成型工艺几何模型进行有限元划分；按照热传导的传热方式，采用瞬态传热偏微分方程构建散粒体压制成型过程传热数学模型；具体的，所述散粒体压制成型工艺几何模型的有限元划分采用四面体网格划分方式,所述散粒体颗粒以及所述模具底座的网格尺寸为1～5毫米(mm)，所述成型模具主体、所述加热套以及所述循环加热介质网格尺寸为5～15毫米(mm)。
40.根据所述散粒体压制成型工艺参数、所述成型模具装配体的热力学特征参数及散粒体颗粒物化性能，设置有限元数值计算初始边界条件，建立散粒体压制成型过程特征参
数数值计算模型；具体的，所述散粒体压制成型工艺参数包括压制压力2～25兆帕(mpa)、压制速率1～50毫米/秒(mm/s)、压制温度室温～90℃、保温时间5～180分钟(mi n)和保压时间5～180分钟(mi n)。
41.进一步的，所述有限元数值计算初始边界条件包括所述散粒体颗粒、所述成型模具主体、所述模具底座、所述加热套以及所述循环加热介质的初始温度为室温～90℃；所述散粒体颗粒与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为200～1000w/m2/k，所述加热套与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为500～1800w/m2/k，所述循环加热介质与所述加热套的界面间热交换系数为2000～8000w/m2/k；散粒体压制成型过程有限元数值计算最小时间步长为0.1～2.0秒(s)，最大时间步长为5～15秒(s)，计算时长为根据实际散粒体压制成型工艺所确定，计算结果数据存储最小时间间隔为0.1～2.0秒(s)。
42.采用所述数值计算模型，计算不同工艺条件下散粒体压制成型过程特征参数，获得成型过程散粒体特征参数的实时动态变化规律。具体的，所述散粒体压制成型过程特征参数包括炸药散粒体压制成型过程温度分布(场)、应变分布(场)及应力分布(场)。
43.本技术实施例提供的方法，采用的有限元数值计算方法可有效弥补现有手段对散粒体在致密非透明有限空间成型过程特征参数表征的不足，能够有效获取成型过程散粒体的温度分布、应变分布及应力分布等特征参数的实时动态变化，实现不同压制工艺条对炸药散粒体压制过程特征参数的影响规律分析，为散粒体成型质量的进一步提升及精密控制提供理论基础和技术支撑。
44.下面对本技术实施例提供的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法进行详细介绍。
45.以92％单质炸药为单质颗粒、8％高分子聚合物为粘合剂包覆层制备的散粒体为炸药散粒体压制成型过程特征参数数值计算对象，根据phh-ex-100型双向精密成型压机所用成型模具装配体的真实结构及尺寸，采用cad按照1:1比例建立散粒体压制形成工艺几何模型，几何模型相关组件包括散粒体颗粒、成型模具主体、模具底座、加热套及循环加热介质(如图2、图3、图4所示)。
46.采用四面体网络划分方式，以散粒体颗粒和模具底座网格尺寸大小为3mm，成型模具主体、加热套及循环加热介质网格尺寸大小为10mm对散粒体压制成型工艺模型进行有限元划分，得到整个工艺几何模型的面网格数量为7952个、体网格数量为56768个、网格质量系数为09.1，所有限元划分的网格质量优异(如图5、图6所示)。
47.采用瞬态传热偏微分方程构建散粒体压制成型过程传热数学模型，这是因为散粒体颗粒在压制成型过程中主要以热传导方式进行传热，但热-力耦合作用致使其热传导过程相对不稳定，故采用瞬态传热偏微分方程构建数学模型；以压制压力15mpa、压制速率1mm/s、压制温度80℃、保压时间30mi n为工艺条件，以散粒体颗粒导热系数0.40w/m/k、密度1.82kg/m3和比热1.20kj/kg/k、高强度合金钢的成型模具主体和模具底座导热系数25w/m/k、密度7.63kg/m3和比热0.73kj/kg/k、铜合金加热套导热系数200w/m/k、密度8.92kg/m3和比热0.90kj/kg/k为热力学特征参数及物化性能，设置散粒体颗粒、成型模具主体、模具底座、加热套及循环加热介质的初始温度为室温80℃。
48.散粒体颗粒与成型模具主体、模具底座的界面间热交换系数均为500w/m2/k，加热
套与成型模具主体、模具底座的界面间热交换系数均为1000w/m2/k，循环加热介质水与加热套的界面间热交换系数为5000w/m2/k，散粒体压制成型过程有限元数值计算最小时间步长为1s，最大时间步长为10s，计算时长300s，计算结果数据存储最小时间间隔为1s的有限元数值计算初始边界条件，构建散粒体压制成型过程特征参数数值计算模型；采用数值计算模型对散粒体压制成型过程特征参数进行计算，获得成型过程散粒体特征参数的实时动态变化规律，在相同工艺条件下开展散粒体压制成型的验证试验，并将此试验验证结果与相同时刻的计算所得特征参数进行误差分析(数值计算设计流程图如图1所示)。
49.采用药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算方法，计算得到了不同时刻散粒体压制形成工艺几何模型8个不同时刻的温度分布，如图7所示。
50.由图7可知，通入25℃循环加热水开始降温后，由于循环加热介质与加热套间存在较大温差，加热套首先开始降温并温度迅速下降，5s后温度降低到55℃；随后成型模具主体和模具底座随之降温，10s时两者温度降至48℃以下，60s时其温度降低至25℃左右，期间致使散粒体温度不断降低；随后成型模具主题、模具底座和加热套间的温度逐渐趋于温度，而散粒体的温度继续从外向内缓慢降低。
51.温度变化云图说明了加热套筒和模具主体的对温度十分敏感，温度变化很快，60s内就接近了热平衡。而药柱对温度敏感度相对较小，但在300s内大部分结构也发生了温度变化。
52.成型模具主体温度随降温时间的变化曲线如图8所示。
53.由图8可知，成型模具主体温度首先急剧下降，其温度在10s内从80℃降低到45℃作用，随后温度降低速率逐渐减小，到60s时其温度降低到30℃以下，并逐渐趋于温度，到300s时，成型模具主体温度为26℃左右。
54.根据图8温度变化曲线，选取了10s、40s、90s、180s、300s，5个不同时刻的成型模具主体温度，以便于与试验结果进行对照，5个时刻的成型模具主体温度计算结果如图9所示。
55.由图9可知，成型模具主体温度分布较均匀，内外温差较小、故选取中间温度点作为成型模具的平均值温度，其计算结果如表1所示。
56.表1不同时刻成型模具主体平均温度值计算结果
57.序号12346时间/s104090180300计算温度/℃37.531.629.027.626.7
58.利用双向精密成型压机，采用与计算模型相同的压力、压药速度、压药温度等工艺参数条件进行装药试验，分别采集了成型模具主体在降温过程中的三组平行温度，如表2所示。
59.表2成型模具主体在降温过程中的三组平行温度
[0060][0061]
对表2中平行结果与平均值的差值百分比进行了对比，其对比结果如图10所示。
[0062]
图10表明，成型模具主体在降温过程中的三组平行温度，与其平均值的差值百分比均≤5％，所测定结果满足精度要求，故以模具温度平均值为其在降温过程中的温度变化规律，并将其平均值采用平滑的曲线连接，得到模具的试验温度变曲线，结果如图11所示。
[0063]
根据图11试验曲线结果，选取10s、40s、90s、180s、300s，5个不同时刻的成型模具温度主体试验测试值，与计算值进行对比，结果如表3所示。
[0064]
表4成型模具主体试验温度与计算温度对比
[0065]
序号12345时间/s104090180300试验温度/℃40.330.927.627.127.0计算温度/℃37.531.629.027.626.7误差/％6.92.25.11.81.1
[0066]
由表4可知，计算模型的计算结果和试验结果的最大误差为6.9％，最小误差为0.4％，5个时间点的误差均≤10％，此实施例证明炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算及分析方法具有较高准确度。
[0067]
总之，本技术提供的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，能够准确计算出散粒体在成型过程中特征参数的实时变化规律，有效分析出散粒体的温度分布、应变分布及应力分布灯特性参数随不同压制工艺条件的动态变化规律。相同工艺条件下，炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算结果与其实际压制成型过程所测得的特征参数试验结果误差值小于10％，此数值计算方法具有较高准确度。炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算及分析方法能够有效弥补当前实际表征手段对散粒体在致密非透明受限空间成型过程特征参数表征的不足，可为不同工艺条件下压制成型过程中散粒体温度场、应变场及应力场变化规律研究提供直观且准确的实时数据支撑，可为成型工艺参数的精准控制及成型质量的进一步提升奠定理论基础。
[0068]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0069]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术可借助软件加上必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0070]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0071]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,包括：根据成型压机所用成型模具装配体的真实结构及尺寸，按照比例构建散粒体压制成型工艺几何模型；所述成型模具装配体包括散粒体颗粒、成型模具主体、模具底座、加热套及循环加热介质；对所述散粒体压制成型工艺几何模型进行有限元划分；按照热传导的传热方式，采用瞬态传热偏微分方程构建散粒体压制成型过程传热数学模型；根据散粒体压制成型工艺参数、所述成型模具装配体的热力学特征参数及散粒体颗粒物化性能，设置有限元数值计算初始边界条件，建立散粒体压制成型过程特征参数数值计算模型；采用所述数值计算模型，计算不同工艺条件下散粒体压制成型过程特征参数，获得成型过程散粒体特征参数的实时动态变化规律。2.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述成型压机为液压油为工作介质的双向成型压机，成型压力为0～25千牛、成型压制数量0～50毫米/秒、成型温度为室温～90℃。3.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述模具底座放置于所述成型模具主体中，所述散粒体颗粒装载于所述成型模具主体内，所述加热套包裹于所述成型模具主体外侧，所述循环加热介质用于向所述加热套提供热源。4.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述成型模具主体、所述模具底座材料为高强度合金钢，所述加热套材料为铜合金，所述循环加热介质为水或硅油。5.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述散粒体颗粒包括88～97％单质炸药为主体、2～10％高分子聚合物的粘合剂包覆层、0～3％的助剂。6.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述散粒体压制成型工艺几何模型的有限元划分采用四面体网格划分方式。7.根据权利要求6所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述散粒体颗粒以及所述模具底座的网格尺寸为1～5毫米，所述成型模具主体、所述加热套以及所述循环加热介质网格尺寸为5～15毫米。8.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述散粒体压制成型工艺参数包括压制压力2～25兆帕、压制速率1～50毫米/秒、压制温度室温～90℃、保温时间5～180分钟和保压时间5～180分钟。9.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述有限元数值计算初始边界条件包括所述散粒体颗粒、所述成型模具主体、所述模具底座、所述加热套以及所述循环加热介质的初始温度为室温～90℃；所述散粒体颗粒与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为200～1000w/m2/k，所述加热套与所述成型模具主体、所述模具底座的界面间热交换系数均为500～1800w/m2/k，所述循环加热介质与所述加热套的界面间热交换系数为2000～8000w/m2/k；散粒体压制成型过程有限元数值计算最小时间步长为0.1～2.0秒，最大时间步长为5～15秒，计算时长为根据实际散粒体压制成型工艺所确定，计算结果数据存储最小时间间隔为0.1～2.0秒。
10.根据权利要求1所述的成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，其特征在于,所述散粒体压制成型过程特征参数包括炸药散粒体压制成型过程温度分布、应变分布及应力分布。

技术总结
本发明公开了一种成型过程散粒体特征参数计算及分析方法，能够准确计算出散粒体在成型过程中特征参数的实时变化规律，有效分析出散粒体的温度分布、应变分布及应力分布等特性参数随不同压制工艺条件的动态变化规律。相同工艺条件下，炸药散粒体压制成型过程特征参数的数值计算结果与其实际压制成型过程所测得的特征参数试验结果误差值小于10％，此数值计算方法具有较高准确度。能够有效弥补当前实际表征手段对散粒体在致密非透明受限空间成型过程特征参数表征的不足，可为不同工艺条件下压制成型过程中散粒体温度场、应变场及应力场变化规律研究提供直观且准确的实时数据支撑。变化规律研究提供直观且准确的实时数据支撑。变化规律研究提供直观且准确的实时数据支撑。


技术研发人员：袁申 史慧芳 诸洪 杨治林 黄求安 肖游
受保护的技术使用者：中国兵器装备集团自动化研究所有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/21