阅读说明：本技术 一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算方法 (Combustible cartridge case burning rate calculation method based on skeleton structure ) 是由 张江波 梁泰鑫 肖飞 刘威 赵树森 肖忠良 刘幼平 于 2021-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算方法,适用于可燃药筒燃速的计算。本发明采用基于纤维素骨架结构的计算方法,充分考虑了可燃药筒的配方组成、工艺成型及孔隙率,能够对影响可燃药筒燃速的关键参数进行计算；采用基于可燃药筒尺寸参数的计算方法,能够将燃烧过程和发射药及装药的燃烧内弹道过程进行有机结合,提高了整个弹药系统的设计精度；采用将可燃药筒每个配方组分及骨架结构作为独立项的计算技术,能够实现任意多种配方组分可燃药筒的燃烧特性表征,并且组分的多少不增加计算的复杂度。本发明解决了基于实际配方组成及工艺成型的可燃药筒燃速精确计算问题,提供了一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算的技术手段。(The invention discloses a method for calculating the burning rate of a combustible cartridge based on a skeleton structure, which is suitable for calculating the burning rate of the combustible cartridge. The invention adopts a calculation method based on a cellulose skeleton structure, fully considers the formula composition, process forming and porosity of the combustible cartridge, and can calculate key parameters influencing the burning speed of the combustible cartridge; by adopting a calculation method based on the size parameters of the combustible cartridge, the combustion process and the inner combustion trajectory process of propellant powder and charge can be organically combined, so that the design precision of the whole ammunition system is improved; by adopting a calculation technology taking each formula component and the skeleton structure of the combustible cartridge as independent items, the combustion characteristic representation of the combustible cartridge containing any plurality of formula components can be realized, and the complexity of calculation is not increased by the number of the components. The invention solves the problem of accurate calculation of the burning speed of the combustible cartridge case formed based on the actual formula composition and the process, and provides a technical means for calculating the burning speed of the combustible cartridge case based on a skeleton structure.)

一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算方法

技术领域

本发明涉及可燃药筒技术领域，尤其涉及可燃药筒燃烧速度的计算，具体涉及一种针对含有纤维素的可燃药筒，能够实现其燃速的计算。

背景技术

可燃药筒是具有含能组分并且力学强度较高，在一定使用条件下能够替代发射装药药筒功能的可燃元器件，一般由硝化棉、纤维素及辅助含能物质组成，主要应用于大口径火炮及其他需要易燃壳体的弹药中。硝化棉和辅助含能材料均符合常规的平行层燃烧规律，纤维素呈条状或絮状结构，且不含能量，主要用来作为加强骨架使用，能够起到提高可燃药筒力学性能的作用，其燃烧不遵循平行层燃烧规律。这种配方的组合结构使得可燃药筒整体表现为非平行层燃烧的规律，这就造成了可燃药筒的燃速计算比较困难。现在常用的可燃药筒燃速计算方法主要有：(1)采用质量百分数表征的方法，将整个可燃药筒视为一个整体，不考虑其燃烧过程，认为所生成的压力与可燃药筒的质量相关，该方法仅能从宏观上进行表述，并不能进行可燃药筒燃烧过程的描述，在实际使用过程中意义不大，使用较少；(2)将可燃药筒的燃烧视作符合平行层燃烧规律，完全采用平行层燃烧定律进行表述，该方法使用较多，但是存在较大的缺陷，因为与实际的物质组成不相符，无法对可燃药筒的燃烧过程进行准确的描述，并且误差较大，这是因为不满足平行层燃烧规律的纤维素所占比例较大，无法忽略；(3)研究中考虑了孔隙率对可燃药筒燃烧特性的影响，但是在燃速计算过程中并未考虑，导致可燃药筒燃速计算的精度较差。因此，现有计算方法无法较好的获得可燃药筒的燃速。

从目前检索的技术资料中，尚未见具有能够考虑可燃药筒实际配方组成及工艺成型，并对其燃烧过程进行科学表征的可燃药筒燃速计算方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种考虑可燃药筒实际配方组成及工艺，基于骨架结构的可燃药筒燃速计算方法。

本发明提供的计算方法，步骤如下：

(1)确定可燃药筒配方组成

H₁＝A

H₂＝B

H₁为硝化棉的含量，H₂为纤维素的含量，A、B为常数；

(2)可燃药筒孔隙率的计算

p_k为可燃药筒的孔隙率，ρ₀为可燃药筒的表观密度，ρ₁为硝化棉的密度，ρ₂为纤维素的密度；

(3)硝化棉的燃速计算

U₁＝u₁P

U₁为硝化棉的燃速，u₁为硝化棉的燃速系数，P为燃烧压力；

(4)纤维素的燃速计算

U₂＝u₂P

U₂为纤维素的燃速，u₂为纤维素的燃速系数；

(5)以纤维素为骨架的燃速计算

U_g＝u_gPⁿ

U_g为骨架燃烧的燃速，u_g为骨架燃烧的燃速系数，n为骨架燃烧的压力指数；

(6)可燃药筒的燃速表达式

U＝H₁×U₁+H₂×U₂+p_k×U_g

U为可燃药筒的燃速；

(7)可燃药筒的已燃百分数计算

ψ＝χZ(1+λZ)

ψ为密闭爆发器所测已燃百分数，Z为已燃相对厚度，χ为第一项系数，λ为第二项系数；

(8)可燃药筒的燃速计算

t为密闭爆发器所测得的对应于P的时间值，e₁为可燃药筒的厚度；

(9)重复第(6)到第(8)步，计算不同压力下可燃药筒的燃速。

因此，基于可燃药筒的实际配方组成，采用纤维素骨架结构的燃烧理论，综合考虑硝化棉、纤维素及孔隙率的影响，能够获得较符合实际燃烧过程的可燃药筒燃烧特性数据，较好的表征可燃药筒的燃速。

本发明提供的一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算方法，与现有技术相比，有益效果体现在以下几个方面：

(1)采用基于纤维素骨架结构的计算方法，充分考虑了可燃药筒的配方组成、工艺成型及孔隙率，能够对影响可燃药筒燃速的关键参数进行计算，如纤维素与硝化棉之间的界面问题。与现有技术相比，考虑了可燃药筒的配方组成，实现了对可燃药筒燃烧过程的精确表征，提高了计算精度。

(2)采用基于可燃药筒尺寸参数的计算方法，在建立了纤维素骨架结构燃烧理论基础上，采用可燃药筒的厚度作为燃速的计算参数，能够将燃烧过程和发射药及装药的燃烧内弹道过程进行有机结合，提高了整个弹药系统的设计精度。与现有技术相比，实现了以可燃药筒的结构尺寸作为燃烧过程计算的参数，降低了可燃药筒与发射装药的综合匹配设计难度，使得可燃药筒更易于大范围应用于武器中。

(3)采用将可燃药筒每个配方组分及骨架结构作为独立项的计算技术，能够实现任意多种配方组分可燃药筒的燃烧特性表征，并且组分的多少不增加计算的复杂度。与现有技术相比，拓展了计算范围，降低了计算难度。

因此，本发明解决了基于实际配方组成及工艺成型的可燃药筒燃速精确计算问题，提供了一种基于骨架结构的可燃药筒燃速计算的技术手段。

附图说明

图1是基于骨架结构的可燃药筒燃速计算流程图。

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。

可燃药筒的厚度为5mm，剪切成10mm×50mm的长方体用来进行密闭爆发器试验，配方组成为含氮量12.6％的硝化棉及木浆纸纤维素。

根据图1所示的基于骨架结构的可燃药筒燃速计算步骤如下：

(1)确定可燃药筒配方组成

H₁＝0.7

H₂＝0.3

(2)可燃药筒孔隙率的计算

计算得p_k为0.26；

(3)硝化棉的燃速计算

U₁＝u₁P

u₁为0.765；

(4)纤维素的燃速计算

U₂＝u₂P

u₂为0.052；

(5)以纤维素为骨架的燃速计算

U_g＝u_gPⁿ

u_g和n为待求数值；

(6)可燃药筒的燃速表达式

U＝H₁×U₁+H₂×U₂+p_k×U_g＝0.7×0.765P+0.3×0.052P+0.26×u_gPⁿ

(7)可燃药筒的已燃百分数计算

ψ＝1.575×Z(1-0.365×Z)

根据密闭爆发器试验数据，起始压力10MPa时，ψ为0.09，且每一个压力时间点对应一个已燃百分数值，此时根据该式求得Z为0.058；

(8)可燃药筒的燃速计算

重复第(6)到第(8)步对数据点逐次求解，即可获得可燃药筒的燃速。对数据点进行拟合，计算得到u_g为2.05，n为0.86，计算获得的特定压力点处可燃药筒的燃速如下：

可燃药筒的燃速。

序号	压力(MPa)	燃速(mm/s)
			1	30	26.47
2	40	34.76
			3	50	42.97
4	60	51.09
			5	70	59.16
6	80	67.18
			7	90	75.15
8	100	83.08
			9	110	90.98
10	120	98.85
			11	130	106.70
12	140	114.51
			13	150	122.31
14	160	130.08
			15	170	137.84
16	180	145.57