Simulation du cycle de refroidissement lors de la coulée d'explosifs fusibles

L'utilisation d'outils numériques dans l'industrie de la défense est en pleine essor, notamment pour la mise en oeuvre des explosifs fusibles. Les matériaux énergétiques étant visqueux et possédant une faible conductivité thermique, ils sont caractérisés par un nombre de Prandtl élevé. Par conséquent, le cycle de refroidissement de ces matériaux spéciaux est très long comparé à la coulée de métaux, par exemple. Il est donc impératif d'optimiser ce cycle de refroidissement qui se trouve être l'étape clé dans la mise en forme des matériaux énergétiques. La présente étude met en avant un outil numérique construit avec COMSOL Multiphysics et qui est consacré à la modélisation de la solidification et des contraintes résiduelles engendrées lors du refroidissement d'un matériau énergétique appelé Composition B. La simulation permet de détecter le retrait et comprend une fonction CZM (Cohesive Zone Modeling) pour modéliser l'adhérence aux parois de l'obus. L'étude contient aussi plusieurs étapes de vérification et de validation (V & V), concept important dans le milieu industriel pour assurer performance et fiabilité. Le concept est utilisé ici dans un cadre numérique à différents niveaux. Premièrement, l'approche de solidification a été vérifié grâce à un problème de référence. Ensuite, un modèle complet incluant la convection naturelle dans le fondu, le changement de phase et le calcul de contraintes thermiques a été développé pour un cylindre. Enfin, une étude de convergence impliquant un raffinement de maillage a permis de vérifier l'exactitude de la modélisation. Par la suite, un modèle plus réaliste d'un obus de 105 mm a été construit et les résultats numériques ont été validés par comparaison avec les profils de température obtenus pour un montage expérimental. De plus, ce modèle a permis de prédire la taille et l'emplacement probable de retrait autour de la cloche de l'obus. L'emphase a été également mis sur une technique particulière pour optimiser le refroidissement, à savoir, l'utilisation d'une sonde thermique. Les résultats ont démontré que la fonction première de la sonde était de maintenir le coeur de la pièce chaud et d'ainsi empêcher la formation de porosités ou de vides suite au changement de phase et à la contraction. La simulation numérique confirme aussi une diminution de 23 % du retrait par cette technique. Au terme de ce projet, il est attendu que le partenaire industriel General Dynamics OTS - Canada puisse en utiliser les retombées afin d'optimiser ses lignes de production.

Abstract

Numerical modeling of melt-casting is becoming a popular tool for the energetic materials and explosives industry. Compared to traditional metal casting, the cooling cycle for explosive melts is significantly longer because of their viscosity and low conductivity which results in high Prandtl numbers. Improving the casting process is crucial and readily depends on optimizing the cooling cycle. Furthermore, air entrapment or void formation due to shrinkage can affect the product quality with respect to its combustion/detonation. A comprehensive numerical tool built through COMSOL Multiphysics is proposed and focused to model the solidification process and the development of stresses during the cooling of an explosive formulation melt, namely Composition B. The simulation tool includes the effect of adhesion to the shell through the use a Cohesive Zone Model (CZM) function and it can also account for the formation of gaps due to shrinkage. The core of the modeling work was developed following a verification and validation (V & V) methodology, which is important in various industries to ensure performance and reliability. In the first phase, the chosen approach for solidification was verified against a benchmark problem. Then, a complete numerical model including melt flow, solidification and thermal stresses was set up and run for a simple cylindrical geometry. A mesh refinement study was also performed at this stage to confirm the degree of accuracy of the solution. During the second phase of the project, a new numerical model was built for an actual 105 mm caliber geometry. Numerical predictions were validated with temperature profiles recorded for an actual 105 mm experimental setup. The model also predicted the probable size and location of gap formation, i.e. around the neck region of the explosive shell. The benefits of probe heating to control solidification were also emphasized. The probe's main function was to prevent void formation by keeping the central trunk of the casting hot as long as required. It was also shown that the use of this hot probe during the cooling process can help to reduce gap sizes up to 23 %. The fallouts of this research project are aimed for the industrial partner - General Dynamics OTS Canada to optimize its own production schemes.