電磁感應加熱彈丸裝藥倒空技術分析研究

向紅軍，施洪杰，呂慶敖，喬志明，苑希超

(陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003)

1 引言

廢舊彈藥是指由于達到存儲年限或者戰場遺棄，導致戰術技術指標不能滿足作戰訓練要求而失去軍事利用價值的彈藥[1]。裝藥倒空是廢舊彈藥無害化處理非常重要的前期步驟，已經成為廢舊彈藥處理的主體內容[2]。各國圍繞裝藥倒空相繼開展研究，已經有多種方法應用于彈丸裝藥倒空，例如蒸汽加熱倒空法[3]、高壓水射流沖洗倒空法[4]、水力空化倒空法[5-7]、冷循環倒空法[8]、有機溶劑沖洗倒空法等。蒸汽加熱倒空法由于設備簡單，倒藥效率較高，操作方便、安全，因而成為我軍主要使用的裝藥倒空方法。然而，該方法也存在污染環境、裝藥適用范圍較小、能量利用率低等局限性。為解決上述問題，改進倒空方法勢在必行。在改進加熱方式上，電磁感應加熱因為廣泛應用于各領域，被研究者所青睞。美國于2006年首次提出電磁感應加熱倒空法，并用內裝B炸藥的60 mm迫擊炮彈做倒空試驗，在功率為4 kW時有99.1%的裝藥被倒空；軍械工程學院設計了感應制熱式彈丸裝藥倒空裝置[9]，從理論上分析了倒藥過程的安全性。

本文基于加熱熱源的不同，結合前人所做工作，指出電磁感應加熱倒空法將成為倒空技術研究的主要方向之一，并以榴彈炮預制破片彈為例，介紹了電磁感應加熱技術在倒空裝藥中的應用，進行了仿真分析，驗證了電磁感應加熱倒空法的可行性。

2 感應加熱倒藥方法原理分析

電磁感應加熱是利用某一頻率的交變電流通過線圈產生相同頻率的交變磁場，當磁場的磁力線通過加熱工件時，將在加熱工件中產生感應電勢，從而產生渦流[10]。

由于彈丸殼體是鐵制材料，在歐姆加熱效應的作用下，隨著感應電流和磁化電流在彈丸殼體中的流動，殼體溫度將迅速升高，同時產生的熱量將從彈丸殼體外表面向內表面傳遞，并對與彈丸殼體內表面接觸的彈丸裝藥產生傳導加熱作用。當處于接觸面的彈丸裝藥達到熔點時，接觸面處的彈丸裝藥將率先熔化并開始剝離彈丸殼體內表面，直至所有的裝藥都達到熔點后變成液體，最后使彈體開口向下，裝藥從口部流出，達到倒空裝藥的目的。

從上述過程可以看出，對彈丸裝藥加熱的過程是一種傳導性加熱，并不是直接對裝藥進行加熱。由于傳導加熱過程中的熱量積累需要一定的時間，因此彈丸裝藥的溫度不會產生突變；另一方面，對彈丸裝藥進行加熱過程中，裝藥的熔點和發火點之間一般存在較大的溫度緩沖區間，因此在加熱過程中可通過設置合理參數，使得溫度在未達到發火點時倒空裝藥。從理論上分析，采用電磁感應制熱彈丸裝藥倒空技術，可以確保應用過程中的安全性，具有加熱效率高、可實現自動化、污染小等[11]優點。

3 數學模型的建立

3.1 電磁場數值模型和溫度場數值模型

感應加熱電磁場的控制方程可以用麥克斯韋方程組表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

熱分析數值模型可由能量方程表示[12]

(5)

在這個方程中，s表示可能有的內熱源，在邊界上溫度場需要滿足的邊界條件一般有兩類：

1) 在邊界上施加一定的溫度條件，這類邊界記為Г1：

T=T0

(6)

2) 在邊界上施加一定的熱流密度條件，這類邊界記為Г2：

(7)

式中：T為區域外周圍的環境溫度，TГ2是邊界上的溫度分布，he為邊界與外部的表面傳熱系數，n為區域指向外部的法向向量。在本文中取第一類邊界條件，即設置模型及其周圍空氣處于某固定溫度值。

3.2 磁熱耦合計算方法

電磁感應加熱過程中，感應電流產生渦流，繼而產生熱量，引起工件溫度升高，而溫度升高后又引起材料導電、導磁的性能變化，整個過程是電磁場和溫度場互相影響的過程。因此，在進行仿真計算的時候，一般采用耦合場計算的方法。耦合場計算可分為2種：直接耦合和順序耦合。直接耦合是利用包含所有必需自由度的耦合單元類型，通過一次求解，得出耦合場的分析結果。順序耦合是將前一個分析中的結果作為載荷施加到第2個分析中，2個分析屬于不同的物理環境[13]。直接耦合法對計算機配置要求較高，計算效率較低，因此本文采用順序耦合的方法，利用ANSYS通用有限元軟件中的Mechanical APDL模塊進行耦合場分析，分析流程如圖1所示。

圖1 磁-熱耦合場分析流程框圖

4 感應加熱有限元模型的建立

4.1 有限元模型的建立

針對某型榴彈炮預制破片彈進行仿真研究。該種彈最大直徑122 mm，口部直徑62 mm，尾部直徑80 mm，高度590 mm，彈體外殼設置均勻厚度為5 mm，裝藥高度390 mm，裝藥頂部距彈丸口部60 mm。電磁感應加熱彈丸示意圖如圖2。

圖2 電磁感應加熱彈丸裝藥示意圖

因為彈丸是軸對稱圖形，所以建立二維軸對稱數值模型，在電磁場分析和溫度場分析中分別采用PLANE53單元和PLANE55單元，熱輻射采用SURF151表面效應單元，這樣可以更容易建立模型，簡化計算過程。在溫度場仿真時由于只關心彈丸及其內部裝藥的溫度變化情況，所以將線圈和空氣設置為無效單元。

由于存在集膚效應，透入深度通常隨電流頻率的不同而變化。本文中，在電流頻率、電阻率等給定的情況下，計算可得透入深度為3×10-5m。在網格劃分時在透入深度內劃分1至2層單元。整體的網格劃分遵循精度高的區域采用較細的劃分，精度要求低的區域采用較疏的劃分原則[14]。

4.2 模型計算參數

該種彈裝藥為TNT，熔點為80.9 ℃，點火溫度為275 ℃，爆燃點為300 ℃，也就是說只要嚴格控制裝藥最高溫度在200 ℃以下，就可以盡可能避免安全事故的發生。模型具體計算參數見表1。

表1 模型計算參數

鋼材料采用45號鋼，考慮材料參數隨溫度的變化情況。圖3～圖6表示鋼的相對磁導率、電阻率、熱傳導系數、比熱容隨溫度的變化曲線。

圖3 比熱容-溫度變化曲線

圖4 熱傳導系數-溫度變化曲線

圖5 相對磁導率-溫度變化曲線

圖6 電阻率-溫度變化曲線

5 仿真結果分析

5.1 電磁場仿真結果

圖7為彈丸及其附近區域磁場強度的分布云圖。從圖7中可以看出，線圈外部的空氣中幾乎不存在磁場，磁場主要分布在線圈與彈丸中間的區域內，在彈丸外殼處磁場強度急劇減小至零?？梢钥闯?，由于集膚效應的影響，導致渦流的透入深度很??；線圈產生的電磁場對彈丸內部裝藥幾乎不產生影響。

圖7 磁場強度分布云圖

圖8為整個模型的磁力線分布圖，從圖8中可以看出磁力線密集的分布在線圈和彈丸表面的中間區域，沿彈丸軸線方向分布，且在外殼和線圈表面處電磁力最大，這是由于交變電流通過線圈時在線圈和彈丸外殼表面產生明顯的集膚效應，使得線圈和彈殼表面電流增大，電磁力增加。彈丸殼體受到交變磁場影響較大，符合感應加熱的規律。

圖8 磁力線分布圖

5.2 溫度場仿真結果

圖9～圖12為TNT和彈丸外殼在30 s、60 s、90 s和120 s時的溫度場變化圖。從圖9～圖12可以看出，溫度最大值在彈丸外殼的頂部與底部，在加熱120 s時溫度高達256 ℃，因為電磁感應產生的渦流損耗集中在彈丸外殼處，在這兩處沒有TNT造成熱量損失；溫度從彈丸外至內大致是遞減的，在較長加熱時間的情況下，熱傳導的現象很明顯，使得外殼的熱量能夠較好地傳遞到內部裝藥中。

圖9 30 s時的溫度場分布云圖

圖10 60 s時的溫度場分布云圖

圖11 90 s時的溫度場分布云圖

圖12 120 s時的溫度場分布云圖

圖13為TNT的溫度場在120 s時的分布云圖。從圖13可以看出，在給定參數的前提下，加熱120 s時TNT最高溫度為192 ℃，低于規定的200 ℃，符合安全要求；感應加熱過程中，TNT大部分能夠被傳導加熱至80.9 ℃以上，表明感應加熱方法能夠使彈丸內部裝藥熔化，從而以液態從彈口流出，適當延長加熱時間能夠更好地提高倒藥效率；TNT中部加熱效果較好，而頂部和底部加熱效果相對較差，這是因為彈丸熱輻射中心位于內部，外部與空氣進行熱擴散，熱量損耗較快，所以導致兩端熱中心溫度較低。

圖13 TNT的溫度分布云圖(t=120 s)

圖14是TNT在30 s、75 s和120 s時彈丸裝藥頂部徑向溫度分布曲線圖，橫坐標為節點到軸線處的距離，縱坐標為溫度。從圖14可以看出，雖然在理想情況下彈殼與彈藥的溫度分布應該是按照沿徑向由外向內均勻降低的，但是由于網格劃分不均勻且彈丸形狀相對不規則，導致在徑向存在不同的溫度梯度；彈丸殼體上的渦流損耗產生的熱量對TNT實現了傳導加熱，并使TNT的溫度得到升高，而且彈丸殼體和TNT接觸面的裝藥溫度要高于中心裝藥的溫度。

圖14 不同時刻TNT頂部徑向溫度分布曲線

圖15是彈丸軸線中心處節點的溫度隨時間變化曲線，橫坐標為加熱時間，縱坐標為該節點的溫度。從圖15中可以看出，該節點在150 s的時間內溫度上升了62.41 ℃，且在剛開始加熱的一段時間內溫度升高不明顯，這是因為彈丸外殼的渦流損耗產生的熱量未完全傳遞至裝藥內部。隨著加熱持續，溫度隨時間的變化基本呈線性變化的趨勢，且升溫速率與加熱頻率成正相關，控制加熱頻率，可以在規定時間內達到裝藥熔化所需溫度。

圖15 彈丸軸線中心處節點溫度隨時間變化曲線

6 結論

1) 電磁感應加熱過程中彈丸裝藥能夠被加熱至熔點，從彈丸口部流出。

2) 電磁感應加熱彈丸裝藥倒空技術的加熱效率高，加熱效果好。從仿真結果可看出，利用電能作為熱源對彈丸裝藥加熱，在120 s內可使裝藥達到192 ℃的溫度，這是蒸汽加熱倒空法不能達到的。

3) 電磁感應加熱彈丸裝藥倒空技術安全性較好。仿真結果顯示：TNT的最高溫度為192 ℃，低于TNT的發火點(275 ℃)。在參數設置正確的前提下，彈丸裝藥不會受熱爆炸，能夠最大限度地保證人員和設備的安全。

4) 電磁感應加熱能夠快速、安全、可靠地將彈丸裝藥加熱到所需的溫度，使其熔化成液態倒出，滿足目前含有高熔點裝藥的彈丸裝藥倒空需求。因此，電磁感應加熱在彈丸裝藥倒空中，具有較好的應用前景。