典型含能材料压延塑化过程模拟分析①

彭昭宇，薛 平，宋秀铎，张 军，贾明印

(1.北京化工大学，北京 100029； 2. 西安近代化学研究所，西安 710065)

0 引言

含能材料是一种含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、可独立地进行可持续反应，并迅速释放出巨大能量的化学能源[1]，其广泛用于发射弹丸、摧毁目标等军工行业；在民用领域的应用也不容小觑，主要用于机械加工及工程施工，如爆炸拆除、地质勘探、海上抛缆等。

用于压延塑化的含能材料的原材料中通常含有大量的硝化棉(NC)和硝化甘油(NG)，显著影响着体系的性质和加工特点。硝化棉用作粘合剂，其含量约占体系配方的30%～90%[2]，但硝化棉的玻璃化温度Tg(约174 ℃[3])相比其加工温度(通常小于100 ℃)高出许多；硝化甘油作为增塑剂，通过对硝化棉的溶胀溶解作用，可降低硝化棉分子运动所需的活化能，增大其回转半径和分子自由体积[4]，改变硝化棉分子的聚集态结构，从而大大降低硝化棉的玻璃化温度，使整个体系具备一定可塑性和粘合性[5]。由于物料本身具有很高的粘度，且体系中填充分布了大量的固体组分(如黑索金、铝粉、无机氧化物等)，因此需要压延过程提供的温度、压力与剪切拉伸等作用，实现物料的塑化。

含能材料在受到强烈的撞击、摩擦、电火花、冲击及过高的温度及压力作用下，容易发生燃烧甚至爆炸[6]，一旦出现安全事故，通常采用光电转换雨淋系统进行扑灭[7]，整个生产线都将瘫痪，造成极大的经济损失，更有甚者，会造成人员的伤亡。

因此，本文拟对压延塑化过程进行模拟仿真，探究各特征量的分布情况，从安全加工和塑化效果两个方面进行分析研究，为实际加工过程中工艺条件的设置提供一定的理论指导。

1 典型含能材料流变模型

本文研究使用的物料流变特性见图1。从物料的粘度与剪切速率之间关系分析可知，物料的粘度随着剪切速率的增大而逐渐减小，与假塑性流体的性质相符。因此，采用幂律模型来描述：

(1)

采用Origin软件进行曲线拟合，得到描述该典型含能材料流变性能的方程参数：m=7.40×106，n=0.15，拟合度高达0.999 96。

图1 流变参数及拟合结果

2 建立物理模型并进行网格划分

压延机工作辊和空转辊直径相同，并开有纵向沟槽来实现物料的轴向输送[8]。采用SolidWorks软件进行辊筒及物料的三维实体建模，如图2所示。为提高计算精度，将辊筒轴向长度取为实际长度的1/10，取接触点位置所在的平面为物料的上表面，最小辊隙处为物料出口。

本文研究的物料对象是从接触点所在平面到最小辊隙之间的部分，这一部分的物料体积远大于沟槽尺寸，且辊筒直径远大于沟槽深度，约为槽深的280倍，沟槽细小而密集[9]，会给模拟带来巨大的困难。因此，将模型简化为光辊进行模拟计算。取辊筒间的物料为研究对象，将物料的三维模型导入到ANSYS自带的Mesh工具中进行网格划分，结果如图3所示。

图2 压延塑化三维物理模型

图3 网格划分结果

3 物料压延塑化过程中的控制方程及边界条件的确定

典型含能材料在一定温度和压力作用下，链段和分子链发生运动，实现聚集态结构的转变，发生明显的三态变化[5]。为方便计算和分析，对物料的压延过程进行合理的基本假设[10]：

(1)物料为不可压缩流体；

(2)满足壁面无滑移的流动条件；

(3)流动充分发展，为稳定流动；

(4)物料粘度很高，故忽略惯性力和重力。

本构方程：同式(1)

连续性方程：

(2)

式中v为速度矢量，m/ s；

运动方程：

(3)

(4)

(5)

式中p为压力，Pa；τ为应力张量，Pa。

如图4所示，将物料的三维模型设置了6个边界：1为入口边界，2表示物料与工作辊辊筒表面接触的边界，3为前端面，4为物料与空转辊辊筒表面接触的边界，5为后端面，6为出口边界。

在本次模拟计算中，工作辊转速为25 r/min，空转辊转速分别为25、28、31 r/min ，即速比分别为1∶1、1∶1.12、1∶1.24；辊筒间隙由0.8 mm逐步递增到1.2 mm；物料在辊筒表面无滑移，故辊筒表面的线速度即为辊筒表面物料的速度；物料密度为1700 kg/m3，结合辊筒转速和直径确定入口体积流率为3.268×10-6m3/s。

边界条件设置及相关参数见表1和表2。

图4 边界示意图

边界边界条件1入口2(vx,vy,vz)3fn=fs=04(vx,vy,vz)5fn=fs=06出口

表2 相关参数

4 模拟计算结果分析与讨论

下述中间截面均为图5中Z向坐标为0.065 m并与XY平面平行的Plane1，下述线段均为Plane1面上点(0，0，0.065)与点(0，0.07，0.065)之间的线段Line1；下述流场分析基于两辊筒转速均为25 r/min，辊筒间隙为1 mm的工艺条件。

图5 模型中间截面Plane 1及截面上沿Y向线段Line 1示意图

4.1 速度场分布

压延物料的三维速度场云图如图6(a)所示，由于采用壁面无滑移假设，故与辊筒表面接触的物料速度均为辊筒表面线速度，为0.707 m/s。为看清流速的内部分布，截取Plane 1，如图6(b)所示。可看到，压延时物料在辊筒的转动下被带入辊隙中，随着两辊间可容纳物料体积的减小，物料的流速增大，在最小辊隙处流速达到最大值，为0.72 m/s，上述现象根据物料衡算，满足不可压缩流体的连续性方程。

(a) 三维速度场分布 (b) Plane 1速度场分布

图7为Line 1上Y向流速分布。从图7可看出，一开始Y向流速为负。结合图5可知，该处物料流速向下，意味着该处的物料通过了辊隙，随着Y向坐标增大，Y向流速突变为正值，即该处物料流速向上，且流速值基本稳定在0.1 m/s左右。从图6(b)可看出，该处物料流速较慢，而靠近辊筒表面的物料流速大，在辊筒的带动下，物料更易进入辊隙，占据了辊隙处的狭小空间。因此，流速较慢的这部分物料未能通过辊隙，且在辊筒的强烈挤压下产生较小的向上速度。

采用流线图8来表示物料的流动方向，可明显看出中间部分的物料流速最小；由于紧挨辊筒处的物料速度向下，在与向上的速度相互作用下形成旋涡。由于该处的物料不能尽早的通过辊隙，会在辊筒上方停留较长时间。

图7 Line 1上Y向流速分布

(a) Plane 1流线分布 (b) 轴向速度分布

从轴向速度分布图上看，被拉入辊隙的物料流速基本保持一致，处于中间位置的物料流速与两边相比较小，这是由于两边的物料会沿着Z向有较大的流速，而中间物料处于物料模型内部，自由流动区域有限。

因此，综合分析图6(b)、图8(a)可知，处于三维模型最中间部分的物料流速最小，仅为辊隙处流速的1.03%，在辊筒上方的停留较长时间，所受拉伸和混合作用时间久，有利于塑化。

4.2 压力场分布

压延物料的压力场如图9(a)所示，随着两辊间可容纳物料体积的减小，物料所受压力逐渐增大，在最小辊隙处压力达到最大值11 MPa，从轴向看，在同一水平面上，处于中间部分的物料较两端所受压力较大。这是因为中间部分物料的自由流动区域有限，流速较慢，故受到的辊筒挤压力较大。同理，图9(b)为Plane 1物料所受压力分布图，压力等值线向上弯曲，证明在同一水平面上处于两辊中间的物料受到的压力更大。

综合来看，处于三维模型中间部分的物料所受压力相对两端物料约大1 MPa，在保证安全的前提下，塑化质量较好；压力最大值11 MPa出现在最小辊隙处。

(a) 三维压力场分布 (b) Plane 1压力场分布

4.3 粘度场和剪切速率分布

物料的流动性与假塑性流体的性质相符，即粘度随着剪切速率的增大而逐渐减小，这一性质从粘度和剪切速率分布的云图中得到证实。

图10(a)为Plane 1粘度分布情况，图10(b)为轴向粘度分布；图11为剪切速率分布。

从图10和图11可看出，物料以较高的剪切速率(最大值为1931 s-1)通过辊隙时，粘度降至最小值169 Pa·s，离辊隙上方越远，剪切速率逐渐衰减，在中间位置出现高粘度区，最大粘度值达到1.2×105Pa·s。

(a) Plane 1粘度分布 (b)轴向粘度分布

物料进入辊隙时，剪切速率大幅提升，这是因为随着流道逐渐窄小，物料的流动状况发生变化，物料受到较强的拉伸作用，导致物料之间摩擦生热加剧，分子间热运动能量增大，从而改善了物料流动性，故粘度下降[11]；物料的分子链段在剪切作用下发生取向，破坏了分子间的平衡力，改变了物料的粘滞状态，从而导致物料之间的粘滞力下降，粘度变小[12]。

图11 剪切速率分布

4.4 混合指数λ分布

在物料的压延塑化过程中，混合指数反应了剪切和拉伸作用之间的相互关系[13]：λ=0时，表示不存在拉伸和剪切作用，只是单纯的滚动过程；λ=0.5时，表示混炼过程为纯剪切作用；λ=1时，表示纯拉伸作用；λ处于0～0.5之间时，表示物料受剪切作用影响，存在滚动过程；λ处于0.5～1之间时，表示物料受剪切和拉伸双重作用影响，随着λ的增大，拉伸作用的影响更为显著。

如图12所示，中间靠上位置的λ值较大，最大可达到0.96，表明该处的拉伸作用显著，而靠近辊筒表面处的λ在0.5左右，表明混炼过程主要为剪切作用，会产生一定的分散混合作用，故该处物料的粘度较低；从Line 1上混合指数分布来看，靠近辊隙处λ偏小，随着Y向坐标逐渐增大，λ也不断增大，最终稳定在0.9左右。整体混合指数处于0.5～1.0之间，越靠近中间位置，混合指数越大，即模型中间部分物料所受拉伸作用强烈，分布混合效果明显。随着两辊间可容纳物料体积的减小，物料受到的挤压作用明显，由于物料为不可压缩流体，会产生向上的速度，从而促进物料的混合，有利于塑化质量的提高。

5 工艺及设备参数的影响与讨论

为探究不同转速(速比)及不同辊隙的条件下物料塑化质量的好坏，选取了工作辊与空转辊速比分别为1∶1、1∶1.12和1∶1.24三种不同工况及辊隙为0.8～1.2 mm的条件下，分析剪切应力的变化情况。

5.1 不同速比对塑化效果的影响

在其他条件不变的情况下改变辊筒速比，分别选取1∶1、1∶1.12和1∶1.24进行模拟，根据模拟结果计算与XY面平行，Z向坐标渐变的面组上剪切应力的平均值，结果如图13所示。靠近Plane 1(Z坐标0.065 m)的面与靠近两端的面相比，平均剪切应力明显较大，越靠近两端平均剪切应力越小，随着空转辊辊速的增大，面组上剪切应力的均值以呈增大的趋势，增量为1%左右。这是由于提高辊筒速比，可给物料提供更强的剪切撕裂作用，增大机械力，有利于改善混炼效果，但不可过分提高辊筒速比，以防发生危险。

(a) Plane 1

(b) Line 1

图13 不同速比下的面组平均剪切应力

5.2 不同辊隙对塑化效果的影响

保持其他条件不变，改变辊隙，分别选取0.8、1.0、1.2 mm进行模拟，根据模拟结果计算与XY面平行，Z向坐标渐变的面组上剪切应力的平均值，结果如图14所示。

从图14中可看出，随着辊隙逐渐增大，面组上平均剪切应力的最大值逐渐增大，但靠近两端的面上，平均剪切应力值变化不大，中间面上变化较为明显。随着辊隙的增大，物料所受挤压作用减小，粘度增大，致使平均剪切应力增大。

图14 不同辊隙下的面组平均剪切应力

保持其他条件不变，改变辊隙，分别为0.8～1.2 mm逐步进行模拟，根据模拟结果计算整个模型中最大压力与最大剪切速率，结果见图15。

根据图15可知，随着辊隙由0.8 mm逐渐增大到1.2 mm ，物料所受的最大压力值逐步减小，由12.3 MPa逐步减小到9.7 MPa。显然，辊隙减小0.1 mm，最大压力值将会增大近1 MPa，辊隙在很大程度上影响着加工安全。因此，一定要在满足加工安全的压力范围内尽可能地减小辊隙，改善物料的塑化质量。最大剪切速率也随着辊隙的增大而逐渐减小，剪切速率越大，剪切作用越强，能够将物料更好的分散，有利于塑化质量的提高，但辊隙的减小会使剪切应力有一定程度的降低。

6 结论

(1)处于两辊上方并未进入辊隙中的物料，在挤压力作用下会产生向上的速度，并与靠近辊面处向下运动的物料形成漩涡；三维模型中间部分的物料流速最小，只有辊隙处流速的1.03%，粘度较大，最大粘度值达到1.2×105Pa·s；压力最大值出现在最小辊隙处；速比为1∶1、辊隙为0.8 mm时，最大剪切速率可达2398 s-1，压力最大值可达12.3 MPa。

(2)混合指数基本处于0.5～1.0之间，即物料受到剪切和拉伸的相互作用，处于中间部分的物料主要受到拉伸作用，越靠近辊筒表面，混合指数越小，即受到的剪切作用更为明显，在拉伸和剪切作用下，可提高物料的分布和分散混合效果。

(3)增大速比会使剪切应力提高，有利于塑化；适当的减小辊隙会在一定程度上减小剪切应力，但会使剪切速率增大，物料所受压力大幅增加，辊隙减小0.1 mm，可使物料所受最大压力增大1 MPa左右。因此，应在保证安全的情况下，适度减小辊隙，增大速比，提高物料的塑化质量。