雙錐結(jié)合罩射流特性影響因素的模擬研究

趙海平，劉天生，石軍磊，阮光光，李雅瑟

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雙錐結(jié)合罩射流特性影響因素的模擬研究

趙海平1，劉天生1，石軍磊1，阮光光1，李雅瑟2

（1.中北大學(xué)，山西 太原，030051；2.北京理工大學(xué)，北京，100081）

為了消除杵堵，通過對聚能裝藥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，設(shè)計出一種錐-錐結(jié)合藥型罩，上錐罩為銅下錐罩為鋁。改變上、下錐罩的長度比例和下錐罩錐角，分析組合藥型罩形成射流的規(guī)律。研究表明：下錐罩錐角為100°時，隨著雙錐罩上、下罩長度比增大，射流的連續(xù)性好，頭部射流速度減小，形成的射流愈穩(wěn)定；上、下錐罩長度比為2∶1時，隨著下錐角角度增大，射流的速度梯度變小，總體能量減小。

組合藥型罩；射孔彈；射流；數(shù)值模擬

現(xiàn)代油氣井石油射孔技術(shù)采用的是電纜或油管，射孔彈安裝在套管中，將其下放到油井產(chǎn)層進(jìn)行射孔，聚能裝藥爆炸產(chǎn)生的射流穿透套管和管外的水泥環(huán)，在產(chǎn)油巖石中形成通道[1]。石油射孔技術(shù)直接影響油氣井的產(chǎn)能，因此對深穿孔、大孔徑石油射孔彈的研究具有十分重要的意義[2]。

陳興等[3]設(shè)計了一種球錐結(jié)合藥型罩石油射孔彈，運用模擬和實驗的方法與半球形藥型罩進(jìn)行對比，分析了前驅(qū)罩對形成射流的速度和直徑的影響。常一超、劉恩良[4]選取在射孔彈內(nèi)使用前驅(qū)藥型罩和主藥型罩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，研究出能夠達(dá)到大孔徑、深穿孔目的的藥型罩設(shè)計方案。李換芝等人[5]利用有限元分析軟件，對變壁厚石油射孔彈聚能射流的形成過程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明同錐角藥型罩壁厚越小，聚能射流的形態(tài)發(fā)育得越好，藥型罩壁厚越大，射流速度越低。呂愿宏[6]對密實藥型罩和粉末藥型罩進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明一定孔隙率的粉末藥型罩在打靶時表現(xiàn)出更好的侵徹特性。

本文通過對經(jīng)典聚能裝藥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，設(shè)計出一種錐-錐組合藥型罩[7]。兩種不同錐角的藥型罩采用不同的材料，通過數(shù)值模擬分別研究每種結(jié)構(gòu)下形成的聚能射流的形態(tài)、速度和能量，分析組合藥型罩形成射流的規(guī)律。

1 藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選取

1.1 藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合雙錐藥型罩結(jié)構(gòu)如圖1所示，罩頂采用錐角為50°的小錐角藥型罩，罩壁厚為1mm，材料選用銅；底端采用錐角為100°的大錐角藥型罩，罩壁厚為1.5mm，選用材料為鋁。改變小錐角藥型罩與大錐角藥型罩的長度比，上、下錐罩長度比為2∶1時大錐角角度分別為90°、100°、110°、120°，用LS/DYNA軟件進(jìn)行模擬分析。雙錐藥型罩長徑數(shù)據(jù)見表1。

圖1 藥型罩結(jié)構(gòu)

表1 雙錐藥型罩長徑數(shù)據(jù)

Tab.1 Length diameter data of dual-cone shaped charge

1.2 材料選取[8]

1.2.1 炸藥

本文設(shè)計的聚能裝藥結(jié)構(gòu)選取高能B炸藥，爆炸控制方程為JWL方程，即：

過C-J點的等熵方程有：

式（1）~（2）中：為炸藥爆轟產(chǎn)生物質(zhì)的相對體積；為初始比內(nèi)能；、、、1、2、為與炸藥材料特性有關(guān)的待定系數(shù)。此外，B炸藥主要材料參數(shù)如表2所示。

表2 B炸藥材料主要參數(shù)

Tab.2 Main parameter of B explosives

1.2.2 藥型罩材料

藥型罩是形成聚能侵徹體的主要部分，侵徹體質(zhì)量越好，對目標(biāo)侵徹的威力越大。選取銅、鋁材料為藥型罩材料，材料模型選用Johnson-Cook 模型進(jìn)行描述。

在Johnson-Cook中描述的本構(gòu)模型具體表達(dá)式為：

表3 材料的本構(gòu)模型參數(shù)

Tab.3 Constitutive model parameters of material

1.2.3 空氣

空氣的主要參數(shù)見表4。

表4 空氣材料的主要參數(shù)

Tab.4 Main parameter of atmosphere

2 數(shù)值模擬研究

2.1 建模分析

數(shù)值模型由炸藥（B炸藥）、藥型罩（上錐罩為銅，下錐罩為鋁）、空氣和靶板（45#鋼）4部分組成，其中炸藥、藥型罩和空氣3種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格建模，并且靶板與空氣和藥型罩材料間采用耦合算法。本文使用LS/DYNA軟件建立三維幾何模型，同時完成有限元網(wǎng)格的劃分，因為數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，為減少模型單元數(shù)目、節(jié)約計算時間，所以建立1/4三維結(jié)構(gòu)有限元仿真模型[9]。數(shù)值模型采用cm-g-μs，具體模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

采用LS/DYNA模擬下錐角100°、上、下錐罩長度比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，和上、下錐罩長度比為2∶1時下錐罩錐角分別為90°、100°、110°、120°射孔彈射流形成的過程。起爆后，爆轟波首先到達(dá)上部錐型銅藥型罩，在強(qiáng)爆轟壓力的作用下，錐型銅罩的錐頂開始逐漸閉合，而中間部分向軸線運動，隨著爆轟波繼續(xù)傳播，錐型銅罩的更多部分完成閉合過程，形成速度較高的主射流。當(dāng)爆轟波到達(dá)鋁藥型罩部分時，這部分藥型罩開始逐漸閉合，且不斷地向軸線處擠壓，形成速度適中的中部射流。聚能射流在到達(dá)裝藥的焦點處時，具有最大的密度和速度及最小的剖面，而后射流膨脹，速度和密度也會相對減小，直到形成高速聚能射流[9]。

2.2 射流的形態(tài)

射流在不同時間點的形態(tài)如圖3所示。

圖3 射流在不同時間點的形態(tài)

由圖3可以看出，下錐罩錐角為100°、不同比例的雙錐罩在射流形成的初期階段（=10μs），1∶2和1∶3的藥型罩下錐罩鋁材料形成頭部射流，因為鋁的聲速比銅大，在雙錐結(jié)合藥型罩中占的比例較大，在強(qiáng)爆轟壓力的作用下，下錐罩鋁材料形成速度較高的主射流，在整體射流的頭部；3∶1、2∶1和1∶1比例的藥型罩，上錐罩銅形成主射流，下錐罩鋁形成的射流在整體射流的中部。=25μs時，1∶2和1∶3比例的藥型罩形成的射流開始出現(xiàn)斷裂。=50μs時，3∶1、2∶1和1∶1比例的雙錐罩形成的射流未斷裂，1∶2和1∶3比例的雙錐罩形成的射流斷裂間隙增大。=75μs時，1∶1比例的雙錐罩銅鋁材料形成的射流連接處開始出現(xiàn)斷裂，有2處斷裂間隙；1∶2和1∶3比例的雙錐罩有5處斷裂間隙，斷裂間隙較大，射流連續(xù)性較差。

不同比例雙錐罩形成的射流參數(shù)見表5。由表5中可見隨著雙錐罩上、下罩長度比增大，射流的連續(xù)性好，頭部射流速度減小，其形成的射流愈穩(wěn)定。

表5 不同比例雙錐罩形成的射流參數(shù)

Tab.5 The formation parameters of jet with different ratios of double cone

表6 2∶1比例雙錐罩不同下錐角形成射流的狀態(tài)

Tab.6 The formation of jet with different angles of bottom cone

由圖3可以看出，上下錐罩比例為2∶1、下錐罩錐角分別為90°、110°、120°形成的射流，在25μs前射流未出現(xiàn)斷裂，銅材料形成主射流，鋁材料形成的射流在整體射流的中部。25μs后開始出現(xiàn)斷裂間隙，隨著時間的增加，斷裂間隙逐漸增大。表6為2∶1雙錐罩不同下錐角形成射流的狀態(tài)參數(shù)。由表6可以看出，下錐罩錐角為100°時形成的射流頭部射流速度最大，拉伸長度最長。

2.3 射流速度

圖4為不同時間點不同比例的藥型罩形成的射流速度。由圖4可以看出2∶1和3∶1比例的藥型罩形成射流的速度梯度較小，因鋁材料形成的射流在整體射流中只占較小的比例并且集中在射流的中段，在射流形成過程中對射流的速度影響不大。

圖4 不同時間點不同比例的藥型罩形成的射流速度

圖5 2∶1比例雙錐罩不同下錐角形成射流的速度

圖4中1∶3和1∶2比例的藥型罩形成射流的速度梯度較大，鋁材料形成的射流在整體射流占較大比例并且集中在射流頭部，射流形成過程中隨著鋁的少量氣化射流速度降低地快。1∶1比例的藥型罩形成的射流在前25μs速度梯度很大，因為在開始形成射流時鋁的聲速大，形成的射流速度大，在25μs時鋁形成射流少量氣化，速度降低。圖5為2∶1雙錐罩不同下錐角形成射流的速度。從圖5可看出上、下錐罩比例為2∶1時，隨下錐角增大射流的速度梯度變小。

2.4 射流的能量

圖6為不同比例藥型罩形成射流的能量。

圖6 不同比例藥型罩形成射流的能量

由圖6可見，1∶1中上錐罩能量相對較低，因其銅材料在組合藥型罩中占的比例小，下錐罩鋁材料形成的射流在開始階段能量最高，但在射流形成過程中能量降低較快。圖6（b）~圖6（c）1∶2和1∶3中上錐罩能量都較低，下錐罩能量較高，因其鋁材料在組合藥型罩中占比例較大。圖6（d）2∶1中上錐罩和下錐罩的射流能量相對其他4種比例的藥型罩適中。圖7為不同下錐角藥型罩形成射流的能量。從圖7中可看出，上、下錐罩比例為2∶1時，隨著下錐角角度增大，射流的總體能量減小。

2.5 射流侵徹

據(jù)上述分析選擇1∶1、2∶1、3∶1比例下錐角為100°的藥型罩進(jìn)行侵徹分析，從圖7可看出隨著銅材料在組合藥型罩中占的比例增大，射流侵徹深度增大。隨著鋁材料在組合藥型罩所占比例增大，形成射流擴(kuò)孔能力增強(qiáng)。侵徹結(jié)果見表7，由表7中數(shù)據(jù)可看出上下錐罩比為2∶1時，侵徹鋼板所形成的孔徑和孔的深度最佳。

圖8 不同比例藥型罩形成射流侵徹鋼板

表7 侵徹結(jié)果數(shù)據(jù)

Tab.7 Penetration data

3 試驗驗證

3.1 藥型罩結(jié)構(gòu)

試驗中選用的藥型罩結(jié)構(gòu)為雙錐藥型罩，上錐材料為銅、下錐材料為鋁，上、下錐罩長度比為2∶1，上錐角為50°、下錐角為100°。上、下錐罩之間用環(huán)氧樹脂粘合，如圖9所示。

圖9 雙錐結(jié)合罩照片

3.2 試驗結(jié)果與分析

用導(dǎo)爆索引爆聚能裝藥侵徹鋼板，如圖10所示，測得孔的深度約為14.66cm，孔徑為0.96cm，與模擬數(shù)據(jù)基本吻合。

圖10 雙錐結(jié)合藥型罩形成射流侵徹鋼板

4 結(jié)論

（1）通過模擬下錐罩錐角為100°時，上、下錐罩不同長度比形成的射流，可得出隨著上錐罩銅材料在組合藥型罩中所占比例的增大，形成的射流連續(xù)性好，愈穩(wěn)定。

（2）上、下錐罩長度比為2∶1時，隨著下錐角角度增大，射流的速度梯度變小，總體能量減小。

（3）上、下錐罩長度比為2∶1時，下錐罩錐角為100°形成的射流穩(wěn)定，穿深和擴(kuò)孔能力最佳，穿深達(dá)13.29cm，孔徑為1.05cm。

（4）隨著銅材料在組合藥型罩中占的比例增大，射流侵徹深度增大。隨著鋁材料在組合藥型罩所占比例增大，形成射流擴(kuò)孔能力增強(qiáng)。

[1] 李揚(yáng).一種新型結(jié)構(gòu)石油射孔彈的數(shù)值模擬研究[D].太原:中北大學(xué),2015.

[2] 郭圣延,徐永勝.影響石油射孔彈穿孔深度的幾個主要因素 [J].測井技術(shù),2005,29(4):52-54.

[3] 陳興,李如江,彎天琪,等.一種球錐結(jié)合藥型罩石油射孔彈 研究[J].爆破器材,2015, 44(2): 58-64.

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Numerical Simulation of Impacts on Jet Formation Properties of Dual-cone Shaped Charge

ZHAO Hai-ping1, LIU Tian-sheng1, SHI Jun-lei1, RUAN Guang-guang1, LI Ya-se2

（1.North University of China, Taiyuan, 030051；2.Beijing Institute of Technology, Beijing ,100081)

In order to eliminate the blocking, a kind of dual-cone combination shaped charge was designed, materials of the top cone is copper, materials of the bottom cone is aluminum. By changing the length ratio of top and bottom cone and the angle of bottom cone, the law of the formation of jet in the dual-cone combination shaped charge was studied. The results indicated that when the angle of bottom cone is 100 degrees, the continuity of the jet is good, top velocity of jet becomes decreasing and the jet becomes more stable, with the increase of the length ratio of dual-cone. When the length ratio of top and bottom cone is 2, the velocity gradient of the jet becomes smaller and the overall energy decreases, with the increase of the angle of bottom cone.

Combination shaped charge liner；Perforating shaped charge；Jet；Numerical simulation

1003-1480（2018）02-0035-05

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.010

2017-08-23

趙海平（1992 -），女，在讀碩士研究生，主要從事武器裝甲防護(hù)研究。

國家自然科學(xué)基金資助（批準(zhǔn)號：11572292）。