射孔彈聚能射孔數(shù)值仿真系統(tǒng)*

郝永平，許 靖

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

由于石油射孔爆炸試驗(yàn)費(fèi)用昂貴［1－3］，爆炸后測量穿深等數(shù)值條件的限制［4］，很大程度上限制了油井射孔的試驗(yàn)研究。在石油裝備的研發(fā)過程中，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法以及現(xiàn)代CAE技術(shù)［5－6］融合運(yùn)用到射孔彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以有效縮短設(shè)計(jì)產(chǎn)品的周期，改良產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

ANSYS提供開放的二次開發(fā)功能［7］，文中將VB與ANSYS相結(jié)合，使用APDL語言結(jié)合VB對(duì)模型尺寸進(jìn)行參數(shù)化，解決重復(fù)建模困難的問題。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，方便不熟悉ANSYS的用戶使用。

1 軟件系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

1.1 流程及原理圖

應(yīng)用APDL語言編制命令流文件，用VB調(diào)用ANSYS，對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝。ANSYS每運(yùn)行一次生成一段*.log文件，在文件中記錄了運(yùn)行過程中的每一個(gè)命令，方便下一次建模進(jìn)行某些參數(shù)的修改。輸入的參數(shù)通過VB中的‘print’命令將流逐條形成，保存到*.txt中，在*.log文件中使用/input調(diào)入新命令，形成用戶所需要的*.log文件。調(diào)用分析結(jié)束之后，使用VB命令來查看用戶所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 ANSYS與VB結(jié)合系統(tǒng)流程圖

1.2 接口問題

首先是*.log文件的提交，在按鈕控件中添加如下代碼:

該系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)就是調(diào)用LS-DYNA 970求解器，進(jìn)行分析時(shí)直接運(yùn)行批處理文件即可進(jìn)行計(jì)算。首先建立一個(gè)批處理命令文件如lsyna.bat，輸入如下的命令行［8］:

其中:第一行是K文件所在文件夾及計(jì)算結(jié)果存放路徑，其余行是LS-DYNA求解器所在路徑，計(jì)算的K文件為skd1.k。編輯重啟動(dòng)分析計(jì)算的命令輸入后保存，鼠標(biāo)雙擊該批處理命令即可開始進(jìn)行分析計(jì)算。

1.3 程序設(shè)置

調(diào)用ANSYS完成后生成*.k文件，修改文件的正確與否決定動(dòng)力學(xué)仿真的精確性，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中修改k文件是一項(xiàng)復(fù)雜的工作任務(wù)，以下為修改文件的部分程序:

2 應(yīng)用實(shí)例

以某種型號(hào)的石油射孔彈為例驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

炸藥材料采用高能炸藥材料模型（MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），藥型罩殼體材料采用材料模型（MAT_JOHNSON_COOK）?？諝獠牧夏Ｐ筒桑∕AT_NULL）。以上在APDL文件中已經(jīng)設(shè)定完整。

圖2 射孔彈結(jié)構(gòu)圖

2.1 用戶界面前處理

應(yīng)用程序關(guān)于參數(shù)選擇部分流程圖，反映了參數(shù)之間的關(guān)系，如圖3所示。

參數(shù)界面的輸入包括:彈殼材料參數(shù)、炸藥參數(shù)、藥型罩參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)、靶板參數(shù)和尺寸參數(shù)，利用VB設(shè)計(jì)界面逐步輸入以上參數(shù)，通過可視化界面可以方便的修改用戶所需要參數(shù)。靶板參數(shù)輸入界面如圖4所示。

2.2 分析計(jì)算

如圖5所示，界面顯示三種型號(hào)模型，分析計(jì)算時(shí)先選擇用戶所需射孔彈類型再調(diào)用ANSYS，通過調(diào)用VB程序來訪問該程序目錄以顯示這些圖形文件是否符合用戶要求。VB前處理程序主要是提取模型，檢查圖形的正確性。

圖3 參數(shù)選擇流程圖

圖4 參數(shù)輸入界面

圖5 調(diào)用ANSYS并查看模型界面

2.3 查看結(jié)果

在圖 6中分別顯示了在 15μs、30μs、45μs、60μs時(shí)線性聚能射流形成及侵徹鋼板過程中的幾個(gè)典型瞬態(tài)。圖6（a）炸藥起爆后15μs時(shí)藥型罩形成射流情況，藥型罩頂部向兩邊移動(dòng)，形成杵狀金屬射流;圖6（b）炸藥起爆30μs時(shí)的情況，正是形成高能量金屬射流的過程;圖6（c）炸藥起爆45μs時(shí)的情況，藥型罩底部的金屬不能形成有效的射流，而生成無效的碎片;圖6（d）表示起爆60μs時(shí)的情況，可以看在運(yùn)動(dòng)過程中射流狀杵體逐漸變細(xì)長，對(duì)靶板的穿孔深度越來越大，這與藥型罩的形狀有關(guān)。

LS-DYNA很好的模擬了射流形成過程，炸藥爆轟后壓合藥型罩，罩微元在軸線上碰撞、擠壓，使得罩內(nèi)壁材料獲得極大的運(yùn)動(dòng)速度后被擠出，形成射流。本次模擬穿深結(jié)果為125.73cm。在實(shí)際試驗(yàn)中射孔彈的穿深結(jié)果如表1所示。

圖6 射流穿孔過程

表1 試驗(yàn)穿深結(jié)果 cm

從數(shù)據(jù)可以看出，該型號(hào)的射孔彈穿深在125cm左右，經(jīng)過多次仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真穿孔深度符合實(shí)際試驗(yàn)穿孔深度的范圍，說明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可行性。

3 結(jié)論

文中提供了一種基于VB與ANSYS間調(diào)用的一種方法，利用VB開發(fā)可視化界面，只需在界面上輸入所需要的數(shù)據(jù)，減少復(fù)雜建模步驟，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，對(duì)于不懂VB和ANSYS的技術(shù)人員，無需學(xué)習(xí)VB和ANSYS也可完成參數(shù)化建模，對(duì)結(jié)構(gòu)相似的模型，只需對(duì)參數(shù)進(jìn)行簡單修改即可完成建模計(jì)算分析，這樣可以提高工作效率。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，并能準(zhǔn)確建模分析，得出穿深結(jié)果。

［1］劉曉蕾，曹紅松，張會(huì)鎖，等.彈丸殼體性能對(duì)聚能射流影響的數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（2）:136－139.

［2］趙云濤，徐文新，周曌，等.藥型罩對(duì)射孔彈射孔性能的影響［J］.測井技術(shù)，2005，29（增1）:37－39.

［3］李萬全，李必紅，趙云濤，等.混凝土靶強(qiáng)度與射孔彈穿孔深度關(guān)系的初步研究［J］.測井技術(shù)，2012（3）:324－328.

［4］劉向東，劉天生，王鳳英.壁厚變化率對(duì)小錐角聚能射流形成影響的數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（3）:96－98.

［5］王欣，徐樹成，任吉堂.有限元軟件ANSYS的二次開發(fā)及其與VB的連接［J］.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（4）:37－39.

［6］賀建磊，張炳軍，盛軍，等.射孔彈穿深與孔徑模擬分析理論研究［J］.測井技術(shù)，2008，32（2）:110－113.

［7］崔偉峰，杜耀志，周臘久，等.Ls-dyna在聚能射流模擬中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2007，27（3）:53－54.

［8］何海洋.LS-DYNA的前后處理及其運(yùn)行方式［OL］.中國科技論文在線［2008－05－22］.

［9］金瑋瑋，張昭，韓秀清，等.射孔槍射流形成的數(shù)值模擬與彈殼設(shè)計(jì)［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（6）:121－126.