基于TrueGrid軟件的射孔彈有限元仿真模型參數(shù)化建立方法

羅宏偉，郭鵬，王樹山，徐豫新

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶400021；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081）

0 引 言

通常以射流成型及侵徹作用機理為基礎進行射孔彈彈體結構設計，但射孔作業(yè)具有作用空間小、高溫高壓環(huán)境、作用時間短暫、射流超塑性動態(tài)變形與槍管套管和巖層的高應變率破裂成孔相耦合、高強度爆炸載荷非對稱分布等特征，系統(tǒng)的理論分析體系尚未建立。依靠實驗研究對射孔彈結構設計與優(yōu)化的支持力度有限。因此，在早期的射孔彈研制中主要依靠經驗積累，通過“畫—加—打”的方法進行。近年來，采用有限元仿真技術在計算機上再現(xiàn)射孔彈作用過程已成為輔助射孔彈結構設計與優(yōu)化的有效方法和手段。但在有限元仿真中，爆炸作用時高速、高壓氣體流動特性對結構離散化后的網格質量提出了較高的要求，尺寸均勻的六面體網格是仿真計算的前提條件，同時也直接影響著仿真結果的準確性。射孔彈結構并不規(guī)則，尺寸均勻六面體網格的劃分不僅需要幾何拓撲學基礎，而且往往消耗大量時間，是現(xiàn)階段困擾射孔彈研制人員的一個難題。

采用參數(shù)化離散方法實現(xiàn)同類結構有限元仿真模型建立是簡化同類模型建立步驟，實現(xiàn)模型快速建立的有效方法。本文選取弧頂單錐類射孔彈進行射孔彈結構特征分析，依據(jù)TureGrid軟件的建模方法［1］，提出弧頂單錐類射孔彈有限元仿真模型的參數(shù)化建立方法，并編寫了應用程序，為該類射孔彈有限元分析模型的快速建立提供了一種方法和手段。

1 射孔彈結構特征分析

選取弧頂單錐類射孔彈進行有限元仿真模型參數(shù)化建立方法研究。因有限元仿真時藥型罩、炸藥采用Euler算法，殼體采用Lagrange算法。因此，根據(jù)算法的不同，分別進行各自結構特征分析和參數(shù)化離散方法研究。

1.1 藥型罩及裝藥結構特征分析

因炸藥爆炸驅動下藥型罩的壓合成型仿真采用Euler算法進行，裝藥、藥型罩界面的網格只有共節(jié)點才能實現(xiàn)能量的傳遞。所以，在模型建立時，將裝藥、藥型罩作為一個整體進行。根據(jù)弧頂單錐類射孔彈結構特征［見圖1（a）］，選取L1、L2、L3、L4、L5、D1、D2、D3、D4、A1、A2、A3、R1、R2、R3 共 15個參量表征，表征參量構成一個封閉的尺寸鏈［見圖1（b）］。

1.2 殼體結構特征分析

對于射孔彈殼體結構（見圖2），選用Ld1、Ld2、Ld3、Lu1、Dr1、Dr2、Dl1、Dl2、Dl3、Dl4、A1、A2、A3、R1、R2共15個參量表征，表征參量同樣形成一個封閉的尺寸鏈。

2 射孔彈結構參數(shù)化離散方法

2.1 藥型罩及裝藥結構參數(shù)化離散方法

射孔彈有限元仿真模型可在TureGrid軟件中生成。TureGrid軟件通過投影的方法生成網格，可以使用參數(shù)、代數(shù)公式、條件語句、循環(huán)語句等，具備參數(shù)化建模功能。

對于射孔彈有限元仿真模型，將空氣域、裝藥、藥型罩在徑向作為一個整體進行模型建立，通過將材料ID賦于不同的值實現(xiàn)各部分的區(qū)分（見圖3）。

圖3 模型徑向整體建立方法示意圖

對于裝藥和藥型罩，除將表征其結構的15個參量（L1、L2、L3、L4、L5、D1、D2、D3、D4、A1、A2、A3、R1、R2、R3）設置為可變參量外，還需將最小網格尺寸設置為可變參量Mesh＿S，15個參量中的12個長度度量值與最小網格尺寸之比即為結構在長度上的節(jié)點數(shù)。在TureGrid軟件中實現(xiàn)的代碼如下。

c結構參量

parameter D1 0.183

c網格節(jié)點參量

parameter ij1［max（1，nint（%D1／%Mesh＿S））］；

在建立block或cylinder時，可在TureGrid軟件中通過代數(shù)計算獲得節(jié)點數(shù)，并進行參量設置，將block或cylinder向輔助曲面進行投影，就可獲得軸向和徑向網格尺寸基本一致的有限元分析模型。

圖4 網格過渡映射示意

在投影時，通過增加網格節(jié)點數(shù)解決沿周向單個網格尺寸逐漸變大的問題。根據(jù)該類射孔彈的結構特征，沿軸向建立8個圓柱面，通過8部分分體建模的方法實現(xiàn)模型每一部分的建立，并通過bb、trbb命令實現(xiàn)網格1對3、2對4或3對1、4對2的過渡映射（見圖4）。采用上述方法獲得的裝藥、藥型罩和空氣域的有限元分析模型（見圖5）。

2.2 殼體結構參數(shù)化離散方法

對于圖2中的殼體結構，采用同樣的方法設置最小網格尺寸參量Mesh＿S后，將表征結構的參量中的12個長度量度值均除以最小網格尺寸，獲得每個長度尺寸上節(jié)點數(shù)。根據(jù)結構特征，通過4部分分體建模的方法，實現(xiàn)模型每一部分的建立，并通過bb、trbb命令實現(xiàn)網格的過渡映射。形成的離散化模型見圖6。

3 參數(shù)化建模應用程序

根據(jù)上述研究結果，采用VC＋＋語言［2］，通過Turegrid軟件的批處理調用，進行了參數(shù)化建模應用程序的開發(fā)，批處理調用代碼如下。

開發(fā)的軟件界面如同7所示，通過該應用程序可實現(xiàn)弧頂單錐型射孔彈有限元模型的快速建立，建立的模型如圖8所示。通過實踐，驗證了上述方法的可行性。

圖7 應用程序輸入界面

圖8 通過應用程序建立的有限元模型

4 結 論

（1）采用結構特征和網格尺寸參數(shù)化表征的方法可實現(xiàn)同類射孔彈有限元分析模型的快速建立，該方法的關鍵在于結構的表征參量分析。

（2）通過射孔彈有限元分析模型參數(shù)化建立方法的研究，認為在TureGrid軟件平臺上以射孔彈結構的表征參量為依據(jù)，可實現(xiàn)高質量有限元分析模型參數(shù)化建立。

（3）采用VC＋＋語言，通過對TureGrid軟件的批處理調用，可實現(xiàn)應用程序的開發(fā)。

［1］ TrueGrid Manual Version 2.1.0［R］.XYZ Scientific Applications，Inc.，2001，9.

［2］ 余祖龍，孫開瓊.面向對象程序設計與VC程序設計入門［M］.北京：北京航空航天大學，2010.