聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析

23 期
韩秀清, 等: 聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析
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科学技术与工程
9卷
以上各图的标度条为图中各单元的应力大小, 以不同颜色清晰的表示。最上边的红色为最大值, 最下边的蓝色为最小值, 中间从下到上表示的应力 值逐渐增大。
3 炸高对聚能射流侵彻作用的影响
石油射孔弹药型 罩底径端面到靶 板之间的垂 直距离, 即所谓的炸高, 影响着聚能射流对靶板 ( 这 里是射孔枪壁 ) 的侵彻深度, 也就是 破甲深度。作 为算例, 在前述模型数据的基础上, 使用实验参数, 以期找到炸高这一参数 对侵彻深度的 影响。具体 模拟结果如表 1所示。
由于爆炸实 验费 用昂 贵, 试验 过程也 比较 漫 长和复杂, 测 量手段 和观 测条件 在很大 程度 上限 制了爆破的试验研究。利用流体力学和 动力学模 型来描述射流 的过程 需要综 合化学 反应 方程、反 应率方程、热 传导 方程、材料 本构关 系等 方程, 这 些方程只有在 很多假 设、极其简 化的情 况下 才能
1. 3 材料模型 在聚能装药射流形成及破甲的数值模拟中, 涉
及到炸药、药型罩和射孔枪 壁三种材料模 型, 其具 体参数在 K 文件里可显示。 1. 3. 1 炸药
程序提供了 MAT _H IGH _EXPLOS IVE _BURN 高 能炸药材 料模型, 爆 轰产物 压力 与体积 关系 采用 JW L 状态方程, 其一般形式为 [ 3] :
侵彻深度。因此, 最佳炸高为 22. 92 mm。
4 结语
运用大型有限元软件做前处理, 利用通用显式动 力分析程序对圆锥型聚能装药射流进行了数值模拟。 这样可以在不引入其他干扰因素的情况下, 对侵彻过 程进行计算, 遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观 察[ 5] , 从而得到试验无法得到的数据。数值计算结果 符合石油射孔弹聚能装药射流的物理现象和规律, 存 在一定程度的误差, 但在工程允许的范围之内。
1. 3. 2 药型罩 用 Johnson Cook本构模型和 Grune isen状 态方
程来描述, 而 G rue isen状态方程为:
p=
1-
0 c2 ! 1+
1-
∀0 2
!-
a !2 2
( s1 -
1) !-
s2
!2 !+
1
-
s3
!3 ( !+ 1) 2
+
( ∀0 + a!)E。 其中, c是 vs vp 曲线 (即剪切 压缩波速曲线 ) 的截 距, s1、s2 和 s3 是 vs vp 曲 线 的 斜 率 系 数, ∀0 是
成影响很小, 因此删除炸药 PART 和炸药与金属药 型罩间的接触 [ 4 ] , 药型罩向轴线 闭合运动时, 由于 金属质量收 缩到直 径较小 的区域, 因 此罩 壁必然 冲厚, 同时在枪壁处碰撞, 在碰撞点附近周围区域 形成高温、高压高应变区, 并穿透枪壁; t = 30 !s射 流较好; 在 t= 40 !s后, 射流拉伸、颈缩, 直到断裂 为小段, 各小段射流的长度不再发生变化, 继续运 动时, 隔断射流间距逐渐加大。
E
s
=
A R1
exp (
-
R
1V)
+
B R2
exp (
-
R2V)
+
Hale Waihona Puke CV; Vps = A exp( - R1 V ) + B exp( - R2 V ) + CV- ( + 1) 。 式中: ps 为等熵压力, E s 为等熵比热力学能, V 是爆 轰产物的相对体积, A、B、C、R 1、R2 为待定常数。
表 1 不同炸高对应的侵彻结果
炸高 /mm 19. 1 22. 92 26. 74 30. 56
射流头部节点编号 332 487 600 1115
侵彻深度 /mm 射流断裂时刻 /!s
162. 148
36
197. 989
40
185. 962
52
171 346
32
从上表可以看到, 就射流形成过程而言, 随着炸高
增加, 射流可以充分地得到拉伸, 射流头部速度增加,
侵彻深度提高; 但是另一方面, 随着炸高的增加, 射流
头部速度又降低, 侵彻深度也有降低。在 1 6倍炸高
即炸高为 30. 56 mm 时, 从显式动力分析的后处理程序
中得到的结果显示, 射流在充分拉伸过程中不稳定, 原
因是产生了径向能量分散和摆动, 过早的断裂影响了
式算法特别适合分析此类高 度非线性的复杂 力学 过程, 以期能够真实 地反映药型罩的 压垮、射 流形 成及拉伸、断裂的 过程和 聚能 射流对 射孔 枪的 侵 彻, 即破甲过程。射 孔枪通常由无缝 钢管制成, 枪 身内壁有定位和紧锁机构, 确保了枪体内的每发射 孔弹都能对准枪 体盲孔位置。在对模型进行 分析 的基础上, 给出如下基本假设: 炸药、药型罩和射孔 枪壁都是均匀 连续 介质, 整个 爆炸过 程为 绝热 过 程, 计算采用顶部中心点起爆, 忽略弹壳对射流的 影响, 装药及侵彻结构是轴对称结构。 1. 2 几何模型
图 3 有限元模型
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聚能射流的形成及破 甲过程的数值 模拟结果 如图 4所示, 分别是各个典型时刻聚能的形成和 侵彻射孔枪壁即破甲过程的等效 应力云图。从图 中可以清晰的看 到: t = 0 !s是炸 药的初始 状态; t = 10 !s时, 在爆轰产物的作 用下药型罩向对 称轴 线运动、碰撞, 射流头部已经形成, 此时, 最大应力 发生在距药 型罩锥 顶一 定距离 处 ( 第 3 841 个单 元 ) , 且数值为 4. 686 ! 10- 3, 即图中标度条最上边 所示; t= 20 !s时 炸药基本爆轰 完毕, 对 射流的形
实际上, 石油射孔弹的破甲作用包括依次对射 孔枪壁、套管、水泥环和岩层的侵彻穿透, 因此为了 更真实的模拟这一过程, 需要作进一步的研究。
参考文 献
1 郝 莉, 王 成, 宁建国. 聚能射流 问题的数 值模拟. 北京 理工大 学学报, 2003; 23( 1) : 19 21
2 田新莉. 高孔密石 油射孔枪 结构优化 设计方法 研究. 长春: 长春 工业大学, 2007
中图法分类号 O 343. 2 TE951;
文献标志码 A
油气井射孔是 一项非常重要 的完井作业。水 力射孔、激光 射孔等 新型 射孔技 术由于 市场 经济 的拉动在 国 内外 石 油射 孔 领域 获得 了 长 足的 发 展, 但是作业 周期 长、投 资费 用高, 所以 未在 石油 射孔方面获得大面积的推广应用。而采 用爆破技 术手段的聚能 射孔以 其快速、高 效、低廉、作 业效 果显著等特点占据着完井作业的 重要地位。这就 是以石油射孔弹为核心, 利用聚能装药效应, 在引 爆射孔弹之后 产生高 温、高压、高能 量密 度射流, 在极其短暂的时间内 ( 微秒级或毫秒级 ) 将射孔枪 及套管穿透并射入含油层的岩石中, 使得井筒环 境与底层环境相互沟通, 从而形成有效的流油 通道。
取得解析解, 且误差较大。然而, 数值解能够突破 控制方程的限制, 可以得到更接近实际情 况的解。 因此, 利用计算 机对聚 能装药 爆破形 成射 流及破 甲过 程 进 行 数 值 仿 真 就 成 为 一 种 重 要 的 研 究 方法 [ 1 ] 。
1 计算模型
1. 1 基本假设 本文所采用 的有限元显式 动力分析软件 的显
3 恽寿榕, 赵衡阳. 爆炸力学. 北京: 国防工业出版社, 2005 4 史党勇, 李裕 春, 张胜民. 基于 AN SY S /LS DYNA 8. 1 进行 显式动
力分析. 北京: 清华大学出版社, 2005 5 章 媛. 线型聚能装药射流形成及 侵彻钢板 的数值模拟. 科技情
报开发与经济, 2006; 16( 23) : 181 182
Construction Eng ineering College, J iL in U n iversity2, Changchun 130021, P. R. Ch ina)
[ Ab stract] Num erical sim ulation o f the shaped charge jet form ation process and pene trat ion through the w all of perforating gun are m ade by use of the exp licit dynam ic finite elem ent analysis program. And the resu lts o f num eri ca l sim u lation are d iscussed. T he d istribut ion character o f the param eter, w hich is called he ight of burst , is ana lysed. T he resu lts o f num erical sim u la tion are agreem ent w ith physica l phenom ena and law s o f jet form at ion and penetration. T he study ind icates that the calcu lation m odel and sim ulat ion m ethod are reasonable and feasible, so can be applied to the optim izing design for shaped charge jet, wh ich m ay be used for re ference to m anufacture and scient ific research o f perforat ing bulle.t [ Key word s] fin ite elem ent ana lysis shaped charge jet penetration num erical sim ulat ion