3.8 小结  22

4 应力场的数值模拟    23

4.1 引言     23

4.2 热-力耦合场分析理论    23

4.3 应力场的数值模拟     25

4.4小结    30

结论    31 

致谢    32

参考文献    33

一、绪论

1.1 研究背景

1.1.1含能材料

    含能材料是指在一定的外界能量刺激下，能自身发生激烈氧化还原反应，可释放大量能量（通常伴有大量气体和热）的物质。它被广泛应用于民用爆破及国防工业领域。

含能材料因为其自身的高能量、高危险性，容易引发安全事故，其安全、可控的制造技术是当前的主要难点。目前，我国的火工件含能材料的制备仍普遍采用机械化设备与人工控制相结合的方式，生产能力勉强能满足供应需求。但是一旦进入战争状态，现有的生产模式势必满足不了大量的生产供给。随着工业4.0的到来，制造业向着数字化、信息化方向发展，传统的含能材料制造更需要依靠现代化的制造加工技术来完成转型。[1-2]

    3 D打印是近年来很热门的一种增材制造技术，特别是近一段时间吸引了国内外媒体和公众的关注。将含能材料与3D打印技术相结合，对成型过程进行深入研究，一定能够有效地解决火工品装药过程的关键技术。

1.1.2 3D打印成型技术简介

3D打印技术是指将三维实体的CAD模型离散成切片模型，通过打印设备将材料按切片模型逐层堆积固化成形，是快速成形技术（RP）的一种。同时3D打印还拥有设备便宜、材料广泛、操作简单、环境友好等优点，并且极大的简化了生产的流程,降低了材料的生产成本,缩短了产品的设计与幵发周期。目前常见的3D打印技术可分为光固化成形、粘结剂喷射、选择性激光烧结、熔融沉积制造四类。[3-4]

     材料是3D打印技术发展的重要基础。目前，3D打印材料主要以ABS、尼龙和铸造石蜡为主。从另一个方面上来说，炸药、发射推进剂、起爆药和烟火等含能材料，利用3D打印也是一种可行的成型工艺。[5]

1.1.3 含能材料的3D打印技术概述

含能材料的3D打印技术是目前军工武器智能化制造技术中的一个非常重要研究方向。它的主要技术是通过所需的不同含能材料混合液化后装入3D打印机喷头中，按照打印原理，完成成型制造。主要用于引信、化学芯片的制造、战斗部装药等途径。[6]

目前，战斗部装药技术主要受限于传统的装药原理，装药过程耗费时间长，过程繁琐，控制因素较多。随着3D打印技术的不断发展和成熟，为战斗部药柱的快速成型制造提供了一个技术解决方案。也为我国军工武器的智能制造提供了坚实的理论基础。

1.1.4计算机辅助工程

计算机辅助工程(Computer Aided Engineering, CAE)是通过使用计算机技术来分析求解复杂工程问题和一些力学问题、电磁学、传热学等学科的相关问题。[7]

利用CAE进行模拟分析问题时,主要分为前处理、求解计算、后处理这三个步骤。用CAE对打印过程时的成型零件进行建模和数值仿真，能够有效缩短产品的研发周期、降低成本、优化工艺路径及参数。

1.1.5 含能材料3D打印的CAE仿真

含能材料的3D打印技术和普通材料的打印技术一样，都是采用连续多层次的零件有限元模型进行温度场的模拟，然后再进行应力场的模拟。在创建CAE模型时，需要考虑到3D打印技术的增材制造特性，所以必须引入有限元软件中的生死单元技术。[8]