1、西安航空职业学院毕业论文ProCAST 软件在熔铸炸药凝固过程数值计算中的应用姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：为了提升熔铸炸药凝固工艺研究水平，采用 ProCAST 软件对典型熔铸炸药凝固过程进行了数值计算研究。文章首先讨论了熔铸炸药凝固过程的理论基础，进而构建了数值计算的仿真模型，采用 ProCAST 软件对熔铸炸药凝固过程中的温度分布、缩松缩孔进行了计算，并结合试验过程进行了验证。结果表明：不同位置处温度曲线结果相符，最大误差约为 8.9%，缩松缩孔分布情况相吻合。ProCAST 软件在熔铸炸药凝固工艺仿真研究中显示出良好的有效性和准确性。关键词：Pr
2、oCAST 软件，熔铸炸药，凝固过程，数值计算1. 引言熔铸炸药是一类常见的军用混合炸药，广泛用于装填各种武器弹药系统，是国防军事化学工业的重要产品之一。熔铸炸药具有工艺流程便捷、工作效率高、产品质量可靠等许多优点。熔铸炸药的使用和发展已经持续了上百年的时间，这其中对于熔铸炸药工艺研究从未停顿过，一直是研究人员关心的重要问题之一。传统的反复试验的方法在熔铸炸药凝固工艺研究中已经难以为继，需要结合仿真设计来提高工艺研究的水平。ProCAST 软件是法国 ESI 集团公司研发的 1，一款用于设计、评估和优化产品铸造工艺过程的专业性仿真软件。ProCAST 软件能够对铸造过程中的受到的热- 流动-力
3、作用进行耦合分析，对铸件产品的质量和缺陷进行预测，为用户提供铸造过程中各类热问题的综合解决方案。ProCAST 软件在国内拥有包括一汽集团、中科院沈阳金属所、西北工业大学等研究机构在内的众多用户群。目前，我司也引入了 ProCAST 软件，用于熔铸炸药凝固过程的数值仿真和工艺分析。熔铸炸药的常见代表之一为 TNT。TNT 凝固过程中存在着相变潜热释放、液固界面迁移等现象，与一般液态金属的凝固过程 2具有相似的物理行为。然而 TNT 凝固过程又有其独特之处。TNT 凝固时的相变温度明显低于常见金属，相变潜热低，过冷度小故而受到的热应力水平低；TNT 凝固时缩松缩孔变化规律区别于金属，在微观结晶形
4、态上更加复杂多变。从产品角度来看，常见金属铸件形状复杂多变，质量缺陷较难控制；而炸药产品的铸件形状简单规则，容易通过冒口补缩等方式提高产品质量。近些年来，很多学者对熔铸炸药凝固过程开展了一系列研究。如郭朋林等 3对一类梯黑炸药凝固温度变化规律进行了试验研究。李敬明等 4对结合工业 CT 技术分析了一种熔梯黑炸药内部的缩松变化模型。黄勇 5等自主设计了熔铸炸药加压凝固试验装置并对 B 炸药加压凝固时的冷却速率进行了讨论。田勇等 6对一种以 TNT 为载体的熔铸炸药凝固过程中温度场的变化情况进行了试验和模拟研究。马松等 7对 DNAN 的凝固过程进行了数值模拟研究。可见采用试验和仿真技术相结合的方
5、法正在逐渐成为熔铸炸药凝固过程研究的一种新思路。在借鉴前人经验的基础上，本文应用 ProCAST 软件对以 TNT 为代表的熔铸炸药凝固过程进行数值计算，并通过试验对计算结果进行验证分析，从而表明 ProCAST 软件在熔铸炸药凝固过程应用的可行性和准确性，进一步提高熔铸炸药凝固工艺仿真设计的研究水平。2. TNT 凝固过程数值计算的理论基础从宏观角度来看，TNT 凝固过程是一个涉及到热及流动等因素相互作用的复杂过程。TNT 凝固过程中的热作用是一个包含相变潜热作为热源项的非稳态传热过程。如果把 TNT视为各向同性的均匀介质，则凝固时传热过程的控制方程可表示为式(1)。(1)(22+22+22
6、)+=其中 表示导热系数， T 表示温度，Q 表示相变潜热，c 表示比热容， 表示密度。TNT 凝固过程中的液相流动作用是另外一个需要考虑的重要因素。通常情况下，可以把液相 TNT 当做具有一定粘性的不可压缩流体进行处理。由此，凝固时描述流动作用的质量守恒方程和动量守恒方程矢量形式可以分别表示为式(2)和式 (3)。(2)+=0(3)=1+2其中 v 表示液相 TNT 的流动速度矢量，f 表示外力矢量， p 表示压强， 表示动力粘度；表示矢量微分算符。随着 TNT 凝固过程的进行，传热和流动作用使体系的温度和热量发生变化，从而形成了比较重要的液相-固相界面。液固界面的迁移导致单位体积内固相率发
7、生变化，而由于 TNT凝固时存在体积收缩现象，从而导致凝固过程中缩松缩孔现象的产生。ProCAST 软件采用体积分数法来描述凝固过程中液固界面的迁移变化规律，以控制单元中液相体积分数的来描述自由表面的变化。控制方程如式(4) 所示。(4)+()=0其中 F 表示液相体积分数，是位置坐标(x,y,z) 和时间坐标(t)的函数。ProCAST 软件在对 TNT 凝固过程中产生的缩松缩孔进行模拟时，结合临界固相率和补缩长度的方法来预测缩松缩孔分布情况。当自由表面的固相率小于临界值时，该区域将整体向下移动形成缩孔，并在内部形成密封的糊状区进而转变为缩松分布区。TNT 凝固时是一个受到传热、流动和界面迁
8、移等多因素共同作用的复杂过程，因此进行数值计算时需要将描述各个过程的控制方程进行联立求解。而一组控制方程的数值解法依赖于初始和边界条件的变化。采用 ProCAST 软件对 TNT 凝固过程进行数值仿真时，一般可以指定物料的初始温度及浇注速度，边界条件可以指定不同工况凝固时的界面换热系数。3. TNT 凝固过程仿真计算的主要流程采用 ProCAST 软件对 TNT 凝固过程进行仿真计算时主要包括抽象建模、前处理、计算模型以及结果处理等主要方面。本文针对 TNT 在模具中自然冷却时的凝固过程进行了仿真计算。模型示意图如图 1 所示。其中模具为纯铜材质，内部尺寸为 60mm120mm，厚度为10mm
9、。底座为“凸”字型，材质为纯铜，与模具相配合。图 1 TNT 凝固过程仿真计算模型示意图将抽象简化的模型图导入到 ProCAST 软件中进行几何修正，之后依次进行面网格划分、体网格划分。网格大小应比较均匀，无明显的畸变现象。网格划分需要考虑计算时的结果准确度和计算资源耗费。划分好的计算网格如图 2 所示。形成的计算网格质量良好，网格单元总数约为 23 万。图 2 四面体计算网格划分接下来进行前处理设置。将表示 TNT 药浆的部分设置为 Casting 类型，纯铜模具和底座部分设置为 Mold 类型。之后分别设置 TNT 和纯铜的材料参数。两种材料的部分物性参数如表 1 所示。表 1 TNT 及
10、纯铜的部分材料参数TNT 固相密度(kg/m 3) 1654 液相密度(kg/m 3) 1443导热系数(W/(mC) 0.224 比热容(kJ/(kgC) 1.278熔化温度(C) 80-82 相变潜热(kJ/kg) 104动力粘度(Pas) 0.0139(85C) 0.0095(100C)纯铜 密度(kg/m 3) 8361导热系数(W/(mC) 395 比热容(kJ/(kgC) 0.401对 TNT 凝固过程进行计算时，需要选择合适的缩松缩孔计算模型。这里选择缩松缩孔模型 POROS=1。该模型中三个重要的参数分别是宏观缩松缩孔临界固相率分数(MACROFS)、缩管临界固相率分数(PIP
11、EFS) 和临界补缩长度(FEEDLEN)。对于 TNT 凝固过程仿真计算，经过反复多次演算，确定得到优化的计算参数分别为：MACROFS=0.72，PIPEFS=0.35 及FEEDLEN=1.5mm。之后需要给定初始条件和边界条件，以及求解器运行控制参数。初始条件为 TNT 液相温度为 90C92C，浇注速度为 1.5m/s2.0m/s，纯铜模具和底座的初始温度为 25C30C。边界条件需要设置各个界面的换热系数。纯铜模具侧面的换热系数设置为 200-500Wm-2C-1，纯铜模具底面的换热系数设置为 100-300 Wm-2C-1，TNT 上表面的换热系数设置为 50-200 Wm-2C
12、-1。求解运行控制参数如表 2 所示。表 2 求解运行控制参数最大求解步数计算终态温度(C)结果存储频率缩松缩孔模型流动模型 最大充型分数6800 25 10 1 3 1.0在完成抽象建模、前处理、计算模型处理后，将形成的数据文件提交 ProCAST 软件求解器模块进行计算，采用软件自带的后处理器对温度以及缩松缩孔结果进行分析。4. TNT 凝固过程工艺验证试验为了对 TNT 凝固过程仿真计算结果进行验证，参考仿真模型并结合实际过程进行了TNT 凝固工艺验证试验。工艺验证试验选用与上述过程一致的纯铜模具和底座。将模具和底座清洗干燥后装配成预定形状。在装配好的模具内部布置三个测温传感器用于测量
13、TNT 凝固过程中不同位置处的温度时程曲线。三个测温传感器的位置分别位于纯铜底座表面中心位置之上的15mm、30mm 以及 60mm 处，如图 3 所示。工艺验证试验时采用过饱和蒸汽将 TNT 片状单质完全熔化成液相，采用水银测温温度计测量液相 TNT 物料的温度。当 TNT 液相温度为 91C 时，以约 2m/s 的浇注速度将 TNT 匀速浇注在装配好的模具中，于 30C 左右的空气中自然冷却。待药柱完全凝固后，沿药柱母线进行分割，观察 TNT 凝固后的缩松缩孔分布情况。图 3 工艺验证试验布置示意图5. 分析和讨论5.1 温度场变化规律分析图 4 TNT 凝固过程中 15mm、30mm 及
14、 60mm 处温度曲线对比结果图 4a-图 4c 所示的是 TNT 凝固过程中 15mm、30mm 及 60mm 三个不同位置处温度时程曲线试验结果与数值计算结果对比图。从图中可以看出数值计算结果与试验结果基本吻合。从试验结果中可以看出，TNT 凝固过程中存在明显的温度平衡段，反映出此时液固共存的特点。同时试验曲线上可观察到明显的温度拐点，表示此时液相已经完全凝固成固相，随着传热过程的进行而温度逐渐下降。更高监测点位置处温度拐点出现的时间更加靠后。对数值计算结果进行分析，三个位置处在温度下降段的结果曲线几乎与试验曲线重合，具有很好的一致性。30mm 及 60mm 处对温度拐点的预测与试验曲线比
15、较相近，而 15mm 处的温度拐点计算值明显早于试验结果。这可能是由于 15mm 处较靠近底座，受到底座换热过程的影响更加明显。图 5 所示的是不同时刻的液固界面迁移过程。在凝固过程中 TNT 的液固界面呈现出由外向内、由四周向中心进行迁移的变化规律。随着液固界面的迁移，TNT 在靠近模具和底座的位置处首先凝固，在中心处最后凝固。液固界面的迁移变化规律影响着 TNT 凝固过程中缩松缩孔的位置和形态。图 5 TNT 凝固过程中液固界面迁移(a=1s,b=100s,c=300s,d=800s,e=1500s,f=3000s)5.2 缩松缩孔规律分析图 6 TNT 凝固过程中缩松缩孔对比结果图 6
16、所示的是 TNT 凝固过程中缩松缩孔数值计算结果与试验结果对比图。从图中可以看出数值计算结果与试验结果相一致。在药柱上顶面，由于与周围冷空气直接接触换热，使得此处的 TNT 优先凝固形成密闭层。同时四周位置处的药柱先于中心部分凝固，由于液相和固相之间存在密度差，中心液相区对周围进行补缩后，容易在药柱中心处形成喇叭形的巨大缩孔。同时在凝固过程中由于结晶形态的变化，在宏观缩孔下部还存在着广泛分布的低密度缩松区。在图 6b 所示的试验结果中，还可观察到 TNT 凝固过程中出现了一定的分层现象。6. 结论对以上研究结果进行总结，可以得出以下结论：(1)采用 ProCAST 软件对 TNT 凝固过程进行
17、数值计算的准确度较高，温度场的最大误差约为 8.9%，缩松缩孔预测结果与实际吻合；(2)研究结果证明了 ProCAST 软件在熔铸炸药凝固工艺研究中的有效性，仿真计算结果的误差水平能够满足实际过程应用的需求；(3)接下来对熔铸炸药凝固过程的研究重点可能在于结合 ProCAST 软件对凝固工艺进行虚拟设计及工艺参数影响规律研究。7. 参考文献1. 李日, 马军贤, 崔启玉. 铸造工艺仿真 ProCAST 从入门到精通M. 北京: 中国水利水电出版社, 2010.2. 胡汉起. 金属凝固原理M. 北京: 机械工业出版社, 2000.3. 郭朋林, 罗观, 习彦,等. TNT 基熔铸炸药冷却过程温度
18、场变化规律研究J. 含能材料, 2010 Vol 18, No.1:93-96.4. 李敬明, 田勇, 张伟斌, 等 . 炸药熔铸过程缩孔和缩松的形成与预测J. 火炸药学报, 2011, Vol 34, No.2:17-20.5. 黄勇, 郑保辉 , 谢志毅,等 . 熔铸炸药加压凝固过程研究J. 含能材料, 2013, Vol 21, No.1:25-29.6. 田勇. 炸药熔铸成型过程监测评价及数值模拟研究D. 博士毕业论文, 绵阳: 中国科学院工程热物理研究所, 2010 年.7. 马松, 袁俊明 , 刘玉存, 等. DNAN 基熔铸炸药凝固过程的实验与成型过程数值仿真 J. 含能材料, 2014 Vol 22, No.2:240-244.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
