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论文推荐|PBX型炸药3D打印喷射理论与仿真分析

水下无人系统学报2018-06-20 09:23:32

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作者信息


作者:方  健1,2,3,  胡  桥1,2,3,  刘  玥1,2,3,  王朝晖1,2,3

单位:1. 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安, 710049; 2. 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室,陕西 西安, 710049; 3. 陕西省智能机器人重点实验室, 陕西 西安, 710049

基金项目:国家自然科学基金“用于食品安全检测的声表面波微流控系统”项目资助(51575441)



摘  要


为了解决PBX型炸药传统成型耗费时间长、过程复杂、控制因素多、异型产品成型困难等问题, 提出了一种新的3D打印喷射成型方法。该方法基于3D打印喷射理论, 通过高精度喷射机构将待成型材料喷射到基板上, 逐点堆积, 三维成型。文中对单个微滴与基板接触、微滴堆积进行了理论建模, 界定了火炸药成型表面粗糙度的影响因素, 使用Fluent软件对喷射过程进行仿真分析, 得出主要因素为喷嘴直径、撞针行程与驱动压力, 最后设计正交实验确定各影响因素的关系, 证明了仿真结果与理论分析一致。该结果为PBX型炸药新的一体化加工成型提供了理论和方法支撑。

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引言

含能材料广泛应用于民事与军用领域, 其种类包括: 火炸药、推进剂、发射药和起爆药等。含能材料作为重要的武器能源无法从国外进口, 制约了我国国防科技的发展。因此, 如何合成新的含能材料、改进原有的成型技术、提出新的概念已成为该领域主要研究方向[1]。目前, 火炸药3D打印的研究领域主要集中在含能油墨配置、含能芯片与传爆网络打印等方面[2]。早在1999年, 美国国防高级研究计划局便开始研究含能材料的增材制造技术, 其主要技术手段是将火工品中所需的不同组分、黏结剂和有机溶剂配置为可打印的含能油墨, 装入3D 打印机的喷头中, 分别或同时打印到基片特定位置上, 然后烘干, 并固化成型为引信中的传火传爆序列[3]

2010年, Ihnen等[4]以RDX作为含能原料, 乙酸乙酯纤维素和聚乙酸乙酯作为黏结剂, 配制成含能油墨打印材料, 进行引信直写入的试验。同年, Fuchsbe等[5]以EDF-11 作为含能油墨原料, 配制出可进行复杂图形爆炸传递及起爆网络打印的含能油墨直写体。在国内, 南京理工大学、中国兵器工业集团公司第204研究所、北京理工大学、中国北方化学工业集团有限公司等多家单位都提出了增材制造技术在推进剂药柱制造领域的应用设想, 并进行了相关实验。

目前国内外尚没有开展含能药柱的直接快速成型方法研究。鉴于3D打印喷射异型体成型精确、成型过程简单、控制因素少等诸多优点, 文中提出一种基于3D打印喷射成型的高聚物粘结炸药(polyme:bonded explosive, PBX)加工新方法, 旨在解决传统火炸药成型中出现的问题。同时对微滴与基板接触、微滴堆积建立理论模型, 得出表面粗糙度的影响因素。通过设计正交实验组, 对喷射影响因素包括喷嘴直径、撞针行程与驱动压力进行了仿真分析, 仿真结果为后续PBX型炸药成型工艺和量产提供参考。

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3D打印喷射工作原理

1.1  喷射基本过程


1.2  喷射理论

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PBX型炸药3D打印喷射建模
3
PBX型炸药3D打印喷射流场仿真

3.1  撞针与喷嘴的配合方式对喷射速度的影响


3.2  喷嘴直径对喷射速度的影响


3.3  撞针行程对喷射速度的影响


3.4  驱动压力对喷射速度的影响


3.5  影响因素正交实验设计

4
结束语

PBX型炸药传统成型方法存在众多缺陷, 文中提出了一种新的成型方法——3D打印喷射成型。该方法采用核心部件高精密机械撞针式喷射阀, 在机械撞针力作用下, 火炸药成型具有很高的致密度, 理论上能解决传统成型气孔气泡等问题。文中所做的具体工作为: 

1) 对成型质量进行了表征, 建立了单个微滴沉积的模型, 对线线成型与面面成型进行了理论建模与计算, 得出控制接触角与沉积直径能达到最佳沉积效果; 

2) 分析了常见喷射阀阀杆与喷嘴的配合方式有3种, 即锥面与锥面、锥面与球面、球面与球面, 然后进行仿真分析, 结果为喷射速度依次减小, 由于锥面与锥面配合难度大, 不易加工, 确定配合方式为锥面与球面; 

3) 根据喷射成型的工作原理与喷射结构, 确定影响喷射速度的因素为喷嘴直径、撞针行程、驱动压力的大小; 

4) 通过Fluent仿真分析, 得出各影响因素的趋势, 随着喷嘴直径的增大, 喷射速度减小; 撞针行程越大, 喷射速度越大; 驱动压力的影响较小, 整体随着压力增大呈上升趋势; 

5) 设计了正交实验, 结果与仿真分析一致, 即喷嘴直径、撞针行程与驱动压力的影响程度依次减小。

文中的主要工作在于喷射的理论建模与仿真分析, 但是仿真部分仅以喷射速度作为标准是不准确的, 喷射均匀性也是影响因素之一, 同时不同的喷嘴形状也会对喷射速度产生影响。因此, 后续研究会针对不同喷嘴形状做仿真分析, 进一步开展实验台的搭建与实验验证工作。

参 考 文 献

[1] 朱珠, 雷林, 罗向东, 等. 含能材料3D打印技术及应用现状研究[J]. 兵工自动化, 2015, 34(6): 52-55. 

[2] Zhang J Y. Study on Irregular Booster Pellet Charge Process[D]. Taiyuan: North University of China, 2006.

[3] Iii J L Z, Schmidt D P, Petrock A M, et al. Inkjet Printed Devices for Armament Applications[J]. Nanotech, 2010(2): 542-545.

[4] Ihnen A, Lee W, Fuchs B, et al.Inkjet Printing of Nanocomposite High-explosive Materials for Direct Write Fuzing[C]//NDIA’s 54th Annual Fuze Conference. Kansas: NDIA, 2010.

[5] Fuchsbe, Wilsona, Cook P, et al. Development, Performance and Use of Direct Write Explosive Inks[C]//The 14th International Detonation Symposium. Idaho: IDS, 2010.

[6] 王建. 化学芯片的喷墨快速成型技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2006. 

[7] 孙慧. 高粘性微量液滴非接触式分配技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

[8] 郑大龙. 撞针式微液滴塑料增材成型技术研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2016.

[9] Fang M, Chandra S, Park C B. Remelting and Coalescence of Molten Metal Droplets Deposited on a Plate[C]// ASME 2004 Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference. Charlotte, NC: ASME, 2004: 939-944.

[10] 李志江. 基于液滴喷射技术的塑料增材制造系统研究与开发[D]. 北京: 北京化工大学, 2015.

[11] 刘瑞江, 张业旺, 闻崇炜, 等. 正交试验设计和分析方法研究[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(9): 52-55.

[12] 张靖. Minitab软件在统计学教学中的应用[J]. 统计科学与实践, 2010(5): 58-59.

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