石油射孔弹数值仿真系统研究及其在大孔径药型罩配方优化中的应用-学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

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2005年?第1期
测井与射孔
石油射孔弹数值仿真系统研究
及其在大孔径药型罩配方优化中的应用
何彦丽胡结军2陈涛2徐文新1宋留群
(1.陕西应用物理化学研究所;2.吐哈油田温米采油厂)
摘要:随着计算机技术与数值模拟技术的发展,采用 Euler算法的LS-DYNA3D程序不仅可以模
拟射流的形成过程,还可以很好模拟射流的开坑和侵彻,并且具有很好的计算精度和速度。
介绍了射孔弹数值仿真系统的研制,利用此系统对大孔径药型罩配方进行优化,仿真结果与实验结
果符合较好
关键词:射孔弹数值仿真大孔径药型罩配方优化
处。聚能装药从顶部中心起爆后,爆轰波压垮聚
前言
能罩形成射流,同时推动壳体膨胀运动,当壳体膨
胀到一定程度时,壳体破裂形成碎片飞散。射流
最早的炸药聚能效应应用的数值模拟计算方开坑、定常侵彻直至侵彻结束。
法研究是军品上的破甲弹,虽然射流速度、穿靶速
采用多物质 Euler网格来模拟炸药的爆轰和
度和最终的穿靶深度、孔径大小可以用简化模型铜基药型罩的压垮及射流的形成等过程,并且
求解,并通过试验进行局部和有限地观察,凭表象 Euler网格要足以覆盖爆轰产物和射流侵彻的整
进行一维定性设计,但射流的形成及其与靶的作个空间范围,对于射孔弹的外壳体、钢靶或套管
用过程极其复杂,根本无法严格解析求解。随着混凝土等也采用 Euler网格。采用多物质作用方
计算机技术与数值模拟技术的发展,采用国外的法,并考憲装药爆轰和射流与靶板碰撞产生的高
计算程序已经可以进行揭示内在机理的二维、温对材料屈服强度的影响,来计算炸药与外壳体
甚至三维的定量设计。采用 Euler算法的LS
相互作用、射流侵彻钢靶或套管、混凝士等过程
DYNA3D程序不仅可以模拟射流的形成过程,还
在LS-DYNA程序中,铜基药型罩、混凝
可以很好模拟射流的开坑和侵彻,并且具有很好
土、套管等采用流体弹塑性(*mat_ elastic_plas
的计算精度和速度
tic_ hydro)材料模型和 gruneisen状态方程;炸药
采用高能炸药(mat_ high_explosive_burn)材料
2射孔弹数值仿真系统研究
模型和JWL状态方程;射孔弹的外壳体塑性动态
硬化(*mat_ plastic_ kinematic)材料模型和多项
式状态方程;空气采用*mat_null模型和多方指
射孔弹数值仿真系统主要包含射孔弹数值模
数状态方程。
拟计算方法研究、射孔弹数值模拟模型建立方法
在各种材料模型中,密度、弹性模量、泊松比
研究、射孔弹的数值分析软件系统结构几项研究屈服应力、硬化模量、失效应变、截止压力及炸药
內容
的爆速、C一J压力等数据是必需的。
2.1射孔弹数值模拟计算方法研究
Gruneisen状态方程是这样描述压力P与密
射孔弹射流穿孔机理与破甲弹具有相似之度化-1、内能的关系
收稿日期:2004-10-30
作者简介:何彦丽,女,工程师,1966年生,2001年8月毕业于天津大学控制理论与控制工程专业,现在陕西应用物理化学研究所从事科
研工作。
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测井
射
2005年
控制在后台使用 ANSYS的前处理自动生成有限
Acp l+
以
+(Y%+)E元计算模型。
(S-1)y+S2
1~S
利用这种数值模拟模型的建立方法,可以直
式中,C、S、S:、S、%、な等常数由实验测定<)接由本软件自动生成二维CAD模型,然后自动
进行分析模型、边界条件、材料性能等的建立,并
JWL状态方程精确地描述了爆袤产物的压可以修改待优化的几何参数和材料参数。
力P、相对体积V和能量E特性:
由于铜基药型罩的厚度在2mm左右,而射
流的侵彻深度一般在200mm~1000mm,这决定
Pー4(-Rv)"+(1ーRv"+了计算所需的网格的数量在几十万甚至数百万以
2)上;相应的计算时间步长与网格大小成正比,在
式中,A、B、の、R1、R2等常数由实验测定。
10-8~10~"s左右,因此从模拟聚能装药起爆、炸
多项式状态方程为压力、密度变化和内能药爆轰、药型罩压垮、形成射流直到射流侵彻结束
的关系
所花费的计算时间和费用都是很大的。为满足建
P=G。+CR+Ca2+C2+(C+G1a+CpP)E立的计算模型规模计算时间在48h以内的要求,
(3)计算模型将采用1/4或1/2的三维有限元模型
式中,G0、C1、C2、C:、C、、C、C。都是由实验测定的2.3射孔弹的数值分析软件系统结构研究
常数。当C。=G=C2=C3=G6=0,并且C4=Cs
1时,等同于气体多方指数状态方程
结合DYNA等商用CAE数值计算分析程
气体多方指数状态方程为
序,并以DYNA为软件系统的基础软件平台,嵌
P
(4)入射孔弹的数值仿真技术,开发了射孔弹的数值
分析软件系统。
式中,y即为空气的多方指数。
本系统界面使用C十+ Builder进行开发,采
在计算中所采用的状态方程、结构关系、动态
用流行的 Windows界面,通过下拉式菜单选取各
材料参数、炸药反应产物参数均由试验测定,可以
个功能模块,人机对话界面友好,选项一般有缺省
适应多物质的小尺度结构并进行大尺度、大范围
应力变化、大变形运动的复杂动态响应过程的计
设置,采用容错设计,对输入错误有警告。为便于
技术人员操作,配有详细的随机帮助文件。
算
本系统包括七大功能模块:目录设置模块;模
2.2射孔弹数值模拟模型建立方法研究
型选择模块;数椐输人模块;结构校核模块;数值
由于欧拉算法的网格划分在空间上是固定模拟模块;可视化处理模块;试验报告生成模块
界面见图1所示。
的,材料是由于其填充了欧拉网格空间而被欧拉
利用本数值仿真软件系统,技术人员通过输
网格划分为许多的离散单元,该方法适用于处理入给定参数(如结构尺寸、载荷条件、材料性能参
大畸变向题,特别是超高速撞击问题,只能采用欧
拉算法程序解决。但物质交界面需作专门处理,
yーデッを定
计算较复杂的问题需刘分相当数目的计算网格,
花费较多的计算机CPU时间。
因此,计算聚能装药的射流形成和对靶的侵
彻,本软件系统采用了 ANSYSY/LS-DYNA
软件提供的 Euler算法
在射孔弹数值模拟计算方法的研究阶段,数
值模拟模型的建立主要在商用软件 ANSYS上,
采用人机交互的方式,根据射孔弹的几何形状、尺
寸进行几何建模和有限元网格划分。对组合后的
图1
计算模型几何尺寸编写APDL程序,由软件系统