CN114638138B - 一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，属于复合固体推进剂增材制造技术领域。本发明基于挤出成型增材工艺与复合推进剂原位制备技术，以固体推进剂数字模型为基础，开展推进剂燃面与燃速性能需求有限元分析，计算出推进剂各子药柱几何结构及其对应的金属燃料配比参数，通过计算机几何计算技术对推进剂模型进行几何裁剪与路径优化，完成推进剂在轴向、周向和径向几何分割与轨迹规划。本发明开发了一套基于挤出成型增材制造的路径规划方法，结合推进剂燃料在线计量技术，完成各向异性复合推进剂的原位增材制造，实现复合推进剂燃面、燃速从微观到宏观的可调可控。

Description

一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法
技术领域
本发明属于复合固体推进剂增材制造技术领域，涉及一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法。
背景技术
现有的武器装备推进剂药柱浇注工艺受限于芯模形状限制，无法实现多组分、复杂形状药柱的制备。增材制造技术不仅能克服传统推进剂制备的局限，还能缩短推进剂研发周期，简化装药工艺，提高推进剂研制及生产过程的安全性，实现人机隔离远程自动化操作。
目前，复合固体推进剂药柱等含能材料增材制造具有可行性。但是，尚未发现增材制造具有各向异性结构的各向异性复合固体推进剂研究。推进剂燃烧是武器发射获取能量的基础，采用燃烧渐增性推进剂是提高武器威力与弹道效率的有效方法之一。实现推进剂渐增性有两种途径：一种金属燃料配比变化来改变药柱燃速，以达到燃速渐增性燃烧；另一种是使推进剂药柱燃面逐渐增加，达到燃面渐增性燃烧。
本发明基于挤出成型增材制造工艺与复合推进剂原位制备技术，从固体推进剂药柱数字模型出发，通过对药柱模型在轴向、周向以及径向的分割与成形路径控制，结合药柱金属氧化剂成份的变化，从而达到对推进剂药柱燃面、燃速的控制，实现具有各向异性结构的复合固体推进剂药柱4D打印(含能可编辑材料)成形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，基于挤出成型增材制造工艺与原位复合推进剂增材制造技术，实现对推进剂性能在轴向、周向、径向分割与成形路径规划，可原位制造出具有各向异性的复合固体推进剂。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，该方法包括以下步骤：
S1：基于挤出成型增材制造工艺与复合推进剂原位制备特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂各子药柱轴向高度Zi、周向弧度θi、径向宽度Ri参数以及各子药柱对应的金属燃料和氧化剂燃料的比例参数；
S2：使用工艺软件在轴向、周向以及径向分割推进剂三维模型；
S3：在工艺软件中，针对S2生成的子扇环集Ⅱ中的各子扇环分别设置成形路径、氧化剂与金属燃料比例的工艺参数，并将工艺参数导出到工艺文件。
所述分割推进剂三维模型具体为：
S21：计算轴向高度Zi的平面集，将各平面依次与圆柱体推进剂药柱模型进行面体相交运算，几何运算生成不同高度Z的子圆柱体集；
S22：对各子圆柱体进行切片分层，生成各层的二维圆环平面轮廓；
S23：从首层开始依次在周向分割各层二维圆环平面轮廓，先计算生成圆心角弧度为θi且半径大于圆柱体外径R的二维扇形集，将各扇形分别与圆环平面轮廓进行面面相交运算，几何运算生成不同圆心角弧度θ的二维扇环集Ⅰ；
S24：从首层开始在径向分割扇环集Ⅰ中的二维扇环形，分割方向扇环外径至内径方向，计算生成半径为
Figure BDA0003573954000000021
圆心角弧度θ的二维扇形，用该二维扇形裁剪扇环生成扇宽为Ri的子扇环集Ⅱ。
可选的，在所述S2中，对推进剂药柱模型分割时，根据固体推进剂性能需求，在轴向、周向以及径向三个维度中的任意一个、两个或三个维度对药柱模型进行分割。
可选的，在所述S2中，药柱模型分割过程中，不同子圆柱体切片分层设置相同或不同层厚。
可选的，在所述S3中，为提高药柱成形质量，在计算各子扇环成形路径时，周向分割平面轮廓后，将下一相邻扇环距离前一扇环最近点作为该扇环打印的起点；径向分割扇环后，扇环所在层的药柱打印方向由外子扇环至内或由内子扇环至外排序，相邻两层子扇环排序方向相反。
可选的，在所述S3中，为提高药柱成形精度，采用的成形路径包括轮廓偏置填充和螺旋线填充。
可选的，在所述S3中，为实现各子扇环氧化剂与金属燃料出料量控制，基于挤出成型的增材制造设备通过螺杆与控制电机转速实现。
可选的，所述基于挤出成型的增材制造设备所采用的推进剂包括：热塑性复合推进剂、光固化复合推进剂和室温快速固化复合推进剂。
本发明的有益效果在于：本发明基于挤出成型增材制造工艺与原位复合推进剂制备技术，通过计算机几何计算技术在原位复合推进剂增材制造的数据准备阶段对药柱在轴向、周向、径向进行分割以及路径规划，实现固体推进剂燃面控制，在对分割后的各子药柱设置相应的金属材料、氧化剂比例，达到对固体推进剂燃速的控制，然后通过基于挤出成型的增材制造设备打印成形。本发明通过有限元分析、计算机几何计算技术生成适合各向异性复合推进剂成形的路径，再结合在线计量并原位混合燃料技术，完成药柱成份从微观到宏观的连续可调可控，实现具有各向异性结构的复合推进剂原位一体成形。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例中轴向、周向、径向分割固体推进剂药柱示意图；
图2为本发明所述路径规划方法流程图；
图3为采用本发明在轴向具有各向异性结构药柱路径规划示意图与样件图；图3(a)为自研软件AdditiveManufacturing软件周向分割药柱模型以及路径规划；图3(b)为通过本发明增材制造成形周向具有各向异性结构的复合推进剂药柱；
图4为采用本发明在周向具有各向异性结构药柱路径规划示意图与样件图；图4(a)为自研软件AdditiveManufacturing软件径向分割药柱模型以及路径规划；图4(b)为通过本发明增材制造成形径向具有各向异性结构的复合推进剂药柱；
图5为采用本发明在径向具有各向异性结构药柱路径规划示意图与样件图；图5(a)为自研软件AdditiveManufacturing软件轴向分割药柱模型以及路径规划；图5(b)为通过本发明增材制造成形轴向具有各向异性结构的复合推进剂药柱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参考图1，其为在三个维度分割药柱模型示意图，包括轴向高度Zi、周向角度θi、径向宽度Ri。图2是本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述的方法包括以下具体步骤：
步骤一：基于复合推进剂原位挤出成型增材制造工艺特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂各子药柱轴向高度Zi、周向弧度θi、径向宽度Ri参数以及各子药柱对应的金属燃料、氧化剂等燃料比例参数；
步骤二：使用工艺软件在轴向、周向以及径向分割推进剂三维模型，三维模型分割具体过程如下；
(1)计算轴向高度Zi的平面集，将各平面依次与圆柱体推进剂药柱模型进行面体相交运算，几何运算生成不同高度Z的子圆柱体集；
(2)对各子圆柱体进行切片分层，生成各层的二维圆环平面轮廓；
(3)从首层开始依次在周向分割各层二维圆环平面轮廓，先计算生成圆心角弧度为θi且半径大于圆柱体外径R的二维扇形集，将各扇形分别与圆环平面轮廓进行面面相交运算，几何运算生成不同圆心角弧度θ的二维扇环集Ⅰ；
(4)从首层开始在径向分割扇环集Ⅰ中的二维扇环形，分割方向扇环外径至内径方向，计算生成半径为
Figure BDA0003573954000000041
圆心角弧度θ的二维扇形，用该二维扇形裁剪扇环生成扇宽为Ri的子扇环集Ⅱ；
步骤三：在工艺软件中，针对步骤二生成的子扇环集Ⅱ中的各子扇环分别设置成形路径、氧化剂与金属燃料比例等工艺参数，并将工艺参数导出到工艺文件。
在步骤二中，对推进剂药柱模型分割时，可根据固体推进剂性能需求，在轴向、周向以及径向三个维度中的任意一个、两个或三个维度对药柱模型进行分割；并且不同子圆柱体切片分层可设置相同或不同层厚。
另外，在步骤三中，为提高药柱成形质量，在计算各子扇环成形路径时：周向分割平面轮廓后，将下一相邻扇环距离前一扇环最近点作为该扇环打印的起点；径向分割扇环后，该层药柱打印方向由外子扇环至内或由内子扇环至外排序，相邻两层子扇环排序方向相反；为提高药柱成形精度，成形路径包括轮廓偏置填充、螺旋填充；通过控制螺杆与各电机转速氧化剂与金属燃料比例。
最后，所述基于挤出成型的增材制造设备，可采用的复合推进剂成型工艺种类包括：热塑性复合推进剂、光固化复合推进剂、室温快速固化复合推进剂。
为了更详细的说明本发明方法中各种参数设定，下面结合更多具体实施例进行说明，一下实施例中，均采用本发明方法生成成形路径，以实现药柱在不同维度上的各向异性结构成形，实施例中为演示不同维度分割模型并生成成形路径，打印件实物通过不同颜色表示不同金属燃料比例。
实施例1
本实施例采用仅在周向维度分割模型并生成成形路径，再打印药柱(外径R＝120mm)成形，具体步骤如下：
步骤一：基于复合推进剂原位挤出成型增材制造工艺特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂药柱周向分割参数，即各扇环所对应的角弧度θi均为90，将圆环均分为四等份，此外输出金属燃料、氧化剂等燃料参数；
步骤二：使用工艺软件AdditiveManufacturing在周向分割推进剂三维模型，药柱模型具体分割过程如下；
(1)本实施例未在轴向与径向分割药柱，直接对药柱模型进行切片分层，层厚均为1.5mm，生成各层的二维圆环平面轮廓；
(2)从首层开始在周向分割各层圆环平面轮廓，先计算生成圆心角弧度为θi为90半径大于圆柱体外径R的四个扇形，将各二维扇形分别与二维圆环平面轮廓进行相交运算，生成圆心角弧度θi为90的四个扇环Ii(i∈i1i4i)；
步骤三：在工艺软件中依次设置各子扇环Ii的氧化剂与金属燃料比例、轮廓偏置填充、线间距2.2mm，成形速度为50mm/s。为提高药柱成形质量，周向分割平面轮廓后，将下一相邻扇环距离前一扇环最近点作为该扇环打印的起点。将工艺参数导出工艺文件。
将工艺文件导入到基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备中逐层打印，药柱打印过程中，氧化剂与金属燃料比例通过控制各伺服电机转速实现，且基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备采用室温快速固化的双组分聚脲树脂作为黏合剂。
图3(a)所示为自研软件AdditiveManufacturing软件周向分割药柱模型以及路径规划，图中不同颜色表示不同燃料比例需求，并通过本实施例方法增材制造成形周向具有各向异性结构的复合推进剂药柱如图3(b)所示。
实施例2
本实施例采用仅在径向维度分割模型并生成成形路径，再打印药柱(外径R＝120mm)成形：
步骤一：基于复合推进剂原位挤出成型增材制造工艺特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂药柱径向分割参数，即由外至内圆环宽度Ri为{30mm，20mm，10mm}，此外输出金属燃料、氧化剂等燃料参数；
步骤二：使用工艺软件AdditiveManufacturing在径向分割推进剂三维模型，药柱模型具体分割过程如下；
(1)本实施例未在轴向与周向分割药柱，直接对药柱模型进行切片分层，层厚均为1.5mm，生成各层的二维圆环平面轮廓；
(2)从首层开始在径向分割圆环，分割方向圆环外径至内径方向，计算生成半径为90mmi70mmi60mm的圆，用该圆裁剪圆环生成扇宽为Ri为{30mmi20mmi10mm}子圆环；
步骤三：在工艺软件中依次设置各子圆环的氧化剂与金属燃料比例、轮廓偏置填充、线间距2.2mm，成形速度为50mm/s。为提高药柱成形质量，径向分割扇环后，该层药柱打印方向由外圆环至内排序，相邻两层子圆环排序方向相反。将工艺参数导出工艺文件。
将工艺文件导入到基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备中逐层打印，药柱打印过程中，氧化剂与金属燃料比例通过控制各伺服电机转速实现，且基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备采用室温快速固化的双组分聚脲树脂作为黏合剂。
图4(a)所示为自研软件AdditiveManufacturing软件径向分割药柱模型以及路径规划，图中不同颜色表示不同燃料比例需求，并通过本实施例方法增材制造成形径向具有各向异性结构的复合推进剂药柱如图4(b)所示。
实施例3
本实施例采用仅在轴向维度分割模型并生成成形路径，再打印药柱(外径R＝120mm)成形：
步骤一：基于复合推进剂原位挤出成型增材制造工艺特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂药柱径向分割参数，即子圆柱体高度Zi为{40mm，10mm，50mm}，将药柱模型轴向分为三个子圆柱体，此外输出金属燃料、氧化剂等燃料参数；
步骤二：使用工艺软件AdditiveManufacturing在轴向分割推进剂三维模型，药柱模型具体分割过程如下；
(1)计算生成轴向高度Zi为{40mm，10mm，50mm}的平面集，将各平面依次与圆柱体推进剂药柱模型相交运算，生成三个子圆柱体集；
(2)对各子圆柱体进行切片分层，层厚均为1.5mm，生成各层的圆环平面轮廓；
(3)本实施例未在径向与周向分割药柱，进入步骤三；
步骤三：在工艺软件中依次对各层的氧化剂与金属燃料比例、轮廓偏置填充策略、线间距2.2mm，成形速度为50mm/s。将工艺参数导出工艺文件。
将工艺文件导入到基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备中逐层打印，药柱打印过程中，氧化剂与金属燃料比例通过控制各伺服电机转速实现，且基于挤出成型的复合固体推进剂增材制造设备采用室温快速固化的双组分聚脲树脂作为黏合剂。
图5(a)所示为自研软件AdditiveManufacturing软件轴向分割药柱模型以及路径规划，图中不同颜色表示不同燃料比例需求，并通过本实施例方法增材制造成形轴向具有各向异性结构的复合推进剂药柱如图5(b)所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：基于挤出成型增材制造工艺与复合推进剂原位制备特征，开展针对各向异性复合推进剂燃面与燃速性能需求的有限元分析，计算出推进剂各子药柱轴向高度Zi、周向弧度θi、径向宽度Ri参数以及各子药柱对应的金属燃料和氧化剂燃料的比例参数；
S2：使用工艺软件在轴向、周向以及径向分割推进剂三维模型；
S3：在工艺软件中，针对S2生成的子扇环集Ⅱ中的各子扇环分别设置成形路径、氧化剂与金属燃料比例的工艺参数，并将工艺参数导出到工艺文件；
所述分割推进剂三维模型具体为：
S21：计算轴向高度Zi的平面集，将各平面依次与圆柱体推进剂药柱模型进行面体相交运算，几何运算生成不同高度Z的子圆柱体集；
S22：对各子圆柱体进行切片分层，生成各层的二维圆环平面轮廓；
S23：从首层开始依次在周向分割各层二维圆环平面轮廓，先计算生成圆心角弧度为θi且半径大于圆柱体外径R的二维扇形集，将各扇形分别与圆环平面轮廓进行面面相交运算，几何运算生成不同圆心角弧度θ的二维扇环集Ⅰ；
S24：从首层开始在径向分割扇环集Ⅰ中的二维扇环形，分割方向扇环外径至内径方向，计算生成半径为
Figure FDA0003958802010000011
圆心角弧度θ的二维扇形，用该二维扇形裁剪扇环生成扇宽为Ri的子扇环集Ⅱ；
在所述S3中，为提高药柱成形质量，在计算各子扇环成形路径时，周向分割平面轮廓后，将下一相邻扇环距离前一扇环最近点作为该扇环打印的起点；径向分割扇环后，扇环所在层的药柱打印方向由外子扇环至内或由内子扇环至外排序，相邻两层子扇环排序方向相反；
为提高药柱成形精度，采用的成形路径包括轮廓偏置填充和螺旋线填充；
为实现各子扇环氧化剂与金属燃料出料量控制，基于挤出成型的增材制造设备通过螺杆与控制电机转速实现。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，其特征在于：在所述S2中，对推进剂药柱模型分割时，根据固体推进剂性能需求，在轴向、周向以及径向三个维度中的任意一个、两个或三个维度对药柱模型进行分割。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，其特征在于：在所述S2中，药柱模型分割过程中，不同子圆柱体切片分层设置相同或不同层厚。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性的复合推进剂增材制造路径规划方法，其特征在于：所述基于挤出成型的增材制造设备所采用的推进剂包括：热塑性复合推进剂、光固化复合推进剂和室温快速固化复合推进剂。
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