CN110688771B - 一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发射药技术领域，具体涉及一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法。本发明解决了片状多层发射药的燃烧特性的表征方法，提供了一种燃烧渐增性评估的技术手段。采用由外层向内层方向的同一坐标方式，能够实现任意多层发射药的参数表征，并且随着层数的增加并不增加计算的复杂度。对片状多层发射药的过渡层采用渐变函数的处理方法，能够更符合物理过程，较好的对片状多层发射药的燃烧渐增性进行表征。所建立的方法不需要指定缓燃层和速燃层，因此，能够适用于各类复杂结构的发射药。

Description

一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法

技术领域

本发明涉及发射药技术领域，具体涉及一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法。

背景技术

片状多层发射药是由至少三层不同组分的发射药燃烧层组成，每一层具有不同的燃烧速度，经过物理挤压的方式结合在一起，具有一定强度、几何外形的复合式发射药。该类发射药具有较高的燃烧渐增性，同时发射药具有较高的装填密度，对比粒状散装发射药，装填密度能够提高25％以上，最高可以达到1.25g/cm³以上。应用多层发射药的高渐增性燃烧特性，可以在保持最大膛压不变的条件下提高炮口动能15％-50％，因此，该类技术的研究具有重大意义。

现在的片状多层发射药的燃烧性能计算方法主要是认为缓燃层和速燃层的密度相同，并且不考虑燃烧过程中缓燃层与速燃层边界的影响。然而，现有计算方法存在如下问题：(1)认为不同分层的发射药密度均相同，且层与层之间为直接连接的方式，这显然与实际发射药的组成不同，由于发射药材料的密度范围从1.2g/cm³到1.8g/cm³，跨度较大，因此，在挤压成型后的不同层之间，物料为两种材料的混合物，现有方法无法较好的表征燃烧渐增性，尤其是层与层之间的过渡部分；(2)在发射药的燃烧过程中不考虑缓燃层与速燃层边界的影响，由于边界处在经过物理挤压和化学渗透后已经形成了一种具有渐变特性的新材料，相对于发射药的整体尺寸而言，所占比例较大，如弧厚为0.5mm的发射药，边界层厚度约0.1mm，因此，现有方法无法较好的表征片状多层发射药的燃烧特性。

从目前检索的技术资料中，尚未见具有能够考虑发射药层与层之间的过渡部分组成及其燃烧特性的片状多层发射药燃烧性能计算方法。

发明内容

为解决现有技术无法较好的表征片状多层发射药的燃烧渐增性、燃烧特性的问题，本发明提供一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法。

为了解决上述问题，本发明采用了下列技术方案：

一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定片状多层发射药的层数；

步骤2：确定某时刻的x，x表示此时刻以燃烧的火药的弧厚；

步骤3：计算发射药已燃百分数；

步骤4：计算发射药燃气生成猛度；

步骤5：通过以上计算步骤，即可计算出x点处的片状多层发射药的燃烧特性值；

步骤6：重复步骤(2)、(3)和(4)，获得所有点处的燃烧特性数值。

基于片状多层发射药在物理挤压中组分的渗透扩散，采用同一坐标尺度的材料特性分布，对过渡层采用渐变函数的处理方法，能够获得较符合实际过程的发射药燃烧特性数据，较好的对片状多层发射药的燃烧特性能进行表征。

进一步地，所述步骤2中的给出发射药不同层的特性与x的关系，具体方法为：

片状多层发射药由外层向内层的方向为x的正向，发射药不同层的特性与x的关系为

其中

ρ为发射药的密度，ρ₁为第一层的密度，ρ₂为过渡层的密度，ρ₃为第三层的密度，u为发射药的燃速，u₁为第一层的燃速，u₂为过渡层的燃速，u₃为第三层的燃速，x₁为第一层结束时的坐标，x₂为过渡层结束时的坐标,x_t为发射药总的厚度的坐标。增加了过渡层密度ρ₂、过渡层燃速u₂和过渡层结束时的坐标x₂，可使燃烧过程完整，具有燃烧的连续性。

再进一步地，所述步骤3中的计算发射药已燃百分数，具体方法为：

ψ＝χZ(1+λZ)0≤Z≤1

其中，ψ为发射药的已燃百分数，χ、λ为发射药的药形系数，Z为燃烧层的已燃相对厚度。

更进一步地，所述步骤4中的计算发射药燃气生成猛度，具体方法为：

假设发射药的燃速采用正比式表示，即

u＝kp

进而

其中，Γ为发射药燃气生成猛度，p为压力，k为燃速系数，t为燃烧时间。有效解决了Γ-ψ曲线的突越点，变得有连续性，更接近实际燃烧曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)采用由外层向内层方向的同一坐标方式，使得发射药在燃烧过程的特性参数全部转变为与该坐标为变量的单一关系，能够实现任意多层发射药的参数表征，并且随着层数的增加并不增加计算的复杂度。与现有技术相比，实现了发射药特性参数用同一参数表征，拓展了计算范围，降低了计算难度。

(2)对片状多层发射药的过渡层采用渐变函数的处理方法，能够更符合物理过程，较好的对片状多层发射药的燃烧渐增性进行表征。与现有技术相比，实现了燃烧渐增性的平滑过渡表征，为片状多层发射药的燃烧特性的表征方法提供了较好的技术手段，填补了现有技术空白。

(3)所建立的方法不需要指定缓燃层和速燃层，因此，能够使用于各类复杂结构的发射药。与现有技术相比，适用范围更广，能够应用于各类具有层状结构的发射药。

因此，本发明解决了片状多层发射药的燃烧特性的表征方法，提供了一种燃烧渐增性评估的技术手段。

附图说明

图1是片状多层发射药燃烧特性的计算流程图；

图2是计算获得的Γ-ψ曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例中一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法，包括以下步骤：

(1)确定片状多层发射药的层数

一种片状多层发射药由三层基体药组成，上层和下层为相同基体的材料，厚度0.5mm，中间为其他的基体材料，厚度为1mm，物理压实后的总厚度为2mm，呈现外直径为45mm的圆盘状，过渡层厚度为0.2mm。

(2)给出发射药不同层的特性与x关系

片状多层发射药由外层向内层的方向为x的正向，并且发射药不同部位的特性与x的关系为

其中

通过以上公式，即可获得在不同位置处发射药的密度及燃速。

(3)计算发射药的已燃百分数

根据已有的药形尺寸数据，可求得该片状多层发射药的药形函数χ＝1.0442，λ＝-0.0423。

发射药的已燃百分数可以用下式表示

ψ＝1.0442×Z×(1-0.0423×Z)0≤Z≤1

发射药的燃速采用正比式的表达式表示，以上所给的基体材料燃速为在100MPa下的燃速数值，单位为cm/s。根据燃速的正比式计算公式

u＝kp

进而获得

其中

(4)计算发射药的燃气生成猛度

发射药燃气的生成猛度可以用下式表示

将Z离散化后，步长取0.001。

(5)通过上述计算步骤可计算出在x点处的燃烧特性数值。

(6)重复步骤2、3和4，逐次求解，即可计算出所有点处的片状多层发射药的燃烧特性值。所计算的Γ-ψ曲线如图2所示。

Claims (3)

1.一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定片状多层发射药的层数；

步骤2：确定某时刻的x，x表示此时刻已燃烧的火药的弧厚；

步骤3：计算发射药的已燃百分数；

步骤4：计算发射药的燃气生成猛度；

步骤5：通过以上计算步骤，即可计算出x点处的片状多层发射药的燃烧特性值；

步骤6：重复步骤(2)、(3)和(4)，获得所有点处的燃烧特性数值；

所述步骤2中的给出发射药不同层的特性与x的关系，具体方法为：

片状多层发射药由外层向内层的方向为x的正向，发射药不同层的特性与x的关系为

其中

ρ为发射药的密度，ρ₁为第一层的密度，ρ₂为过渡层的密度，ρ₃为第三层的密度，u为发射药的燃速，u₁为第一层的燃速，u₂为过渡层的燃速，u₃为第三层的燃速，x₁为第一层结束时的坐标，x₂为过渡层结束时的坐标,x_t为发射药总的厚度的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法，其特征在于：所述步骤3中的计算发射药已燃百分数，具体方法为：

ψ＝χZ(1+λZ) 0≤Z≤1

其中，ψ为发射药的已燃百分数，χ、λ为发射药的药形系数，Z为燃烧层的已燃相对厚度。

3.根据权利要求1所述的一种基于渗透扩散的片状多层发射药燃烧性能计算方法，其特征在于：所述步骤4中的计算发射药燃气生成猛度，具体方法为：

假设发射药的燃速采用正比式表示，即

u＝kp

进而

其中，Γ为发射药燃气生成猛度，p为压力，k为燃速系数，t为燃烧时间。

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