Publication detail

Modeling and optimization of pyrotechnic compositions using central composite design and response surface methodology

Authors: Vianna Cantini Danillo Fernando | Pelikán Vojtěch | Pachman Jiří

Year: 2025

Type of publication: článek v odborném periodiku

Name of source: FirePhysChem

Page from-to: 513-521

Titles:

Language	Name	Abstract	Keywords
cze	Modelování a optimalizace pyrotechnických směsí pomocí centrálního kompozitního návrhu a metodiky odezvy povrchu	Tato studie se zaměřuje na optimalizaci pyrotechnických směsí obsahujících bór (B) a karbid boru (B4C) jako paliva a oxid vizmutu (Bi2O3) jako oxidační činidlo. K prověření a vyhodnocení vlivu koncentrací složek na parametry spalování, konkrétně adiabatickou teplotu a tlak při konstantním objemu, byly použity metody centrálního kompozitního návrhu (CCD) a metodika odezvy povrchu (RSM). Simulace pomocí REAL WIN poskytly potřebná data, která byla analyzována za účelem odvození prediktivních modelů. Optimalizace byla provedena pro různé účely, včetně přizpůsobení konkrétních cílů, maximalizace nebo minimalizace výstupů a vyvážení kritérií výkonu, což prokázalo flexibilitu a užitečnost tohoto přístupu. Výsledky získané pro optimální složení vykazovaly vynikající shodu se simulací, s chybami predikce nižšími než 2 % ve většině případů. Například optimalizované složení (9,53 % B, 3,91 % B4C, 86,56 % Bi2O3) odpovídalo cílové teplotě 2000 K s chybou mezi predikcí RSM a simulací REAL WIN nižší než 1,4 % pro tlak při konstantním objemu. Studie dále zkoumá omezení a možnosti zlepšení modelu rozšířením experimentálního rozsahu a začleněním dalších datových bodů. Toto šetření zdůrazňuje potenciál pro zdokonalení přesnosti predikce při řešení problémů spojených s nelineárním chováním a extrapolací. Kombinací přístupů DoE se simulačními nástroji nabízí tato práce spolehlivé vodítko pro formulaci.	Pyrotechnické směsi; Směsi boru a karbidu boru; Oxid bizmutu; Návrh experimentů; Modelování a simulace; Optimalizace
eng	Modeling and optimization of pyrotechnic compositions using central composite design and response surface methodology	his study focuses on optimizing pyrotechnic compositions containing boron (B) and boron carbide (B4C) as fuels and bismuth oxide (Bi2O3) as the oxidizer. A Central Composite Design (CCD) and Response Surface Methodology (RSM) were employed to screen and evaluate the effects of component concentrations on combustion parameters, specifically adiabatic temperature and constant-volume pressure. Simulations using REAL WIN provided the necessary data, which were analyzed to derive predictive models. Optimization was conducted for various purposes, including matching specific targets, maximizing or minimizing outputs, and balancing performance criteria, demonstrating the flexibility and utility of the approach. Results obtained for the optimal compositions showed excellent agreement with the simulation, with prediction errors below 2% in most cases. For instance, an optimized composition (9.53% B, 3.91% B4C, 86.56% Bi2O3) matched a target temperature of 2000 K with an error between RSM prediction and REAL WIN simulation lower than 1.4% for the constant-volume pressure. The study further explores the limitations and opportunities for improving the model by expanding the experimental range and incorporating additional data points. This investigation highlights the potential for refining predictive accuracy while addressing challenges associated with nonlinear behaviors and extrapolation. By combining DoE approaches with simulation tools, this work offers reliable guidance for formulation and experimental planning in energetic materials development.	Pyrotechnic compositions; Boron and boron carbide mixtures; Bismuth oxide; Design of Experiments; Modeling and simulation; Optimization

Search

Login for students

Login for employees

Publication detail

Departments

Other Parts

Map

Services

Popular Links