Ludovic-推进剂代料用双螺杆挤出机塑化加工过程的模拟与验证

为提升含能材料连续化加工的安全性并建立高精度仿真体系，以典型改性双基推进剂为基准，通过流变特性匹配优化代料配方（醋酸丁酸纤维素:乙烯-醋酸乙烯共聚物:碳酸钙:邻苯二甲酸二乙酯:炭黒粉:水=180∶65∶210∶405:27），采用Polyflow与Ludovic仿真软件对啮合平行同向双螺杆挤出过程进行多尺度模拟，结合实验验证关键参数。

材料

优化后代料配方的流变模型：

实验与仿真

在相同物料体系下，采用不同工艺参数和螺杆结构进行实验和模拟仿真。

不同结构的啮合平行同向双螺杆挤出机（（a）TJ结构；（b）CP结构）

工艺参数：

结果讨论

仿真压力结果：

从上图Ludovic模拟结果可以看出，全程峰值集中于啮合块区域，因其高剪切作用削弱输送能力，导致物料滞留与压力积聚。取计量段部分与 Polyflow 进一步对比分析发现，Ludovic 压力变化趋势与 Polyflow 结果一致，螺纹导程减小时压力上升，连接处出现峰值，验证双软件预测可靠性。Polyflow和 Ludovic 双软件结果均揭示:导程减小会引发局部压力突变。

压力结果验证：

上图对比了不同结构下实验与仿真压力结果及压力变化趋势。可知，TJ设备因长径比更大，模拟压力值普遍高于 CP设备。个别组别(如CP/85/10)出现实验压力CP>TJ，主要原因是实验物料为高粘物料，而TJ设备长径比更大在低温低转速工况下扭矩易波动导致压力不稳定，而仿真未考虑机械扰动，因此模拟结果与实验结果出现个别组别的不同。

上图为不同工艺参数下，测试分析点处实验与模拟仿真压力结果变化趋势。可以看出，物料定点压力整体变化趋势基本保持相同，压力随螺杆长径比(TJ>CP)与转速(由5rmin增大至 15r/min)增加显著上升;压力随着计量段温度的上升(85、90、95 ℃)呈下降趋势。

仿真温度结果：

从上图可以看出，全程的温度曲线呈波动上升态势。取计量段与 Polyflow 结果对比发现，温度变化趋势保持一致，当物料输送至 SE 12/12后，温度开始明显上升。这是因为当推进剂代料进入计量段后，随着螺纹导程的减小，剪切作用增强，使得物料温度升高。

温度结果验证：

上图分别对比了实验与仿真温度结果及不同结构下的温度变化趋势。可见，模拟仿真结果基本均高于实验结果，第3组 TJ/85/15(设备为 T;计量段温度为 85℃;螺杆转速为 15r/min，下同)中出现 Polyflow 与实验间的**温差以及 Ludovic 和实验间的**温差，分别为7.67℃、1.77℃。

当工艺参数保持相同时，TJ设备由于具有更大的长径比，使得物料受到更大的剪切温升作用，因此TJ设备模拟仿真所得物料温度均明显高于相应的CP组别，但该现象在实验中并不明显。这可能是因为，实验物料为混合粉料，其内含有一定量的水分，当物料受剪切作用出现温升时，物料内的水分会受热蒸发，带出部分热量。而模拟仿真物料由于需要对其流变性能进行测试，因此采用塑化挤出后的颗粒料作为实验物料，其水分远小于实验物料，因此出现模拟仿真结果与实验结果不同的现象图12为不同工艺参数下，测试分析点处实验与模拟仿真温度结果变化趋势。可以看出，整体变化趋势基本保持相同，物料温度随着螺杆长径比、螺杆转速和计量段温度的增大呈上升趋势。

误差分析: