吳煥龍，向旭，杜明章，楊超，王慶兵

（1.四川石油射孔器材有限責(zé)任公司，四川 內(nèi)江 642177；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司測井

公司，重慶 400021；3.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

非均勻地質(zhì)理想儲(chǔ)存條件下或生產(chǎn)狀態(tài)下孔眼直徑是影響產(chǎn)率比的重要因素，應(yīng)針對不同地層選擇合適的孔眼直徑有效提高產(chǎn)率比。研究表明，除非在用清潔的無固相射孔液及負(fù)壓射孔條件下可選用9 mm以下孔徑射孔彈，一般均采用孔徑為10 mm以上的射孔彈才有利于生產(chǎn)［1］?？讖绞呛饬可淇讖椥阅艿囊豁?xiàng)重要指標(biāo)，用于低滲透、出砂層、稠油層等地質(zhì)條件下射孔作業(yè)的大孔徑射孔彈更是如此。GB／T 20489－2006中對小藥量大孔徑射孔彈穿孔規(guī)格限提出了相對更高的要求。根據(jù)科研攻關(guān)計(jì)劃，選擇25 g裝藥量的BH38RDX46－89型射孔彈進(jìn)行性能優(yōu)化。依據(jù)GB／T 20489－2006及裝彈尺寸要求，確定地面穿鋼靶性能指標(biāo)為：孔徑≥15 mm，穿深≥85 mm。在理論分析基礎(chǔ)上運(yùn)用微差法、CAE設(shè)計(jì)了藥型罩與殼體內(nèi)腔裝藥結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算；調(diào)選藥型罩配方進(jìn)行現(xiàn)場打靶試驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的89型大孔徑射孔彈性能遠(yuǎn)超國標(biāo)規(guī)定，具有明顯的大孔徑高穿深效果。

1 理論分析

式中，rc為破甲孔徑；k為常數(shù)；rj、vj、ρj、ρt、σ分別為射流元半徑和速度、射流元和靶材密度及靶板強(qiáng)度。

可見，在藥型罩與靶材料確定后，射流在靶板上穿孔孔徑與射流元半徑和速度能成正比，其中射流元半徑rj可由射流微元質(zhì)量mj表征。由射流形成的定常流體力學(xué)理論可知，近似地有

式中，v0為壓合速度；m為藥型罩微元質(zhì)量；α為藥型罩半錐角［3］。

影響穿孔孔徑的射流元速度和質(zhì)量在藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)呈現(xiàn)反向變化趨勢，因此必須綜合考慮與射流速度和質(zhì)量相關(guān)的射流動(dòng)能，大孔徑射孔彈要求大的射流動(dòng)能，更要求射流動(dòng)能在軸向有合理的分布。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于粉末藥型罩?？讖街笜?biāo)在大孔徑射孔彈穿孔性能整體評價(jià)中所占的權(quán)重一般在0.7以上，在滿足孔徑指標(biāo)的前提下還應(yīng)盡可能追求高穿深。綜合考慮射流動(dòng)能、射流穩(wěn)定性諸因素，吸收借鑒微差設(shè)計(jì)主導(dǎo)思想［4－6］設(shè)計(jì)優(yōu)化定型的藥型罩結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該種組合結(jié)構(gòu)下罩頂?shù)?段弧曲率半徑設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，過小則射流成形可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且追趕現(xiàn)象明顯，頭部形成傘狀盤結(jié)構(gòu)。這種狀態(tài)的射流頭部會(huì)使最大孔徑在靶孔入口處形成，同時(shí)使得穿深顯著減小，不符合有槍身大孔徑射孔彈的設(shè)計(jì)意圖。圖2為3個(gè)典型時(shí)刻的數(shù)值計(jì)算圖像（模型鋼靶長30 mm）。

圖2 曲率半徑下射流成形與開孔狀態(tài)

2.2 殼體裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由爆轟理論可知，殼體具有減小稀疏波作用，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)直接影響爆轟波的形成和傳遞。大孔徑射孔彈殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是為獲得合理裝藥結(jié)構(gòu)以有效地分配能量分布，其核心要求是射孔后在射孔槍上形成小孔眼、套管與巖層上形成較大孔眼，保證足夠的穿深。

實(shí)際應(yīng)用的聚能裝藥都是藥型罩頂部藥量大、中部及底部藥量逐步減小的收斂性結(jié)構(gòu)，裝藥過于集中在罩頂結(jié)構(gòu)下射流可擁有大的頭部速度，這對形成大的孔徑有利。由于實(shí)際材料都多少存在一些黏性，而這些黏性在動(dòng)力學(xué)過程中很容易顯示出來，射流頭部以極高的速度接觸靶板的瞬間靶板材料的非線性本構(gòu)存在率效應(yīng)，這種反應(yīng)材料黏性現(xiàn)象會(huì)使得射流動(dòng)能消耗過多，不利于射流后續(xù)穿深、穩(wěn)定性及孔道規(guī)則程度，最主要的是不符合大孔徑射孔的孔道形狀分布要求?；谶@些原因，殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也依據(jù)微差設(shè)計(jì)原理，整個(gè)聚能射孔彈裝配設(shè)計(jì)采用圖1（b）結(jié)構(gòu)［4－5］。

整體觀察整個(gè)射孔彈，該設(shè)計(jì)相當(dāng)于通過分別對藥型罩和殼體進(jìn)行微差設(shè)計(jì)達(dá)到和實(shí)現(xiàn)對裝藥結(jié)構(gòu)復(fù)合型微差設(shè)計(jì)的目的，既益于增大孔徑，又利于保證穿深，微差設(shè)計(jì)思想對于改善射孔彈產(chǎn)品整體性能具有積極有效的作用［6］。

高校應(yīng)該呼吁社會(huì)各界以及高校內(nèi)部教師對基層行政管理者同等對待，除了出臺對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)等基本需求政策之外，更應(yīng)該認(rèn)可他們的工作。筆者曾親身經(jīng)歷被親戚問起是一個(gè)基層行政工作者時(shí)，對方一臉的鄙視和不屑為本就煩躁的心情火上澆油。

3 仿真分析

應(yīng)用顯式有限元分析軟件LS－DYNA對優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，若得到理想的計(jì)算結(jié)果，則可進(jìn)行模擬射孔試驗(yàn)，最后對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行系列化推廣應(yīng)用。

3.1 數(shù)值建模

建立聚能裝藥射流侵徹鋼靶的計(jì)算模型對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算。物理模型原型參考GBT 20488－2006與 GB／T 20489－2006中大孔徑射孔彈穿鋼靶檢測規(guī)格條件，幾何模型見圖3。計(jì)算采用1／4有限元模型以節(jié)約計(jì)算資源。

圖3 模擬計(jì)算幾何模型

聚能射流在力學(xué)上屬于彈塑性流體動(dòng)力學(xué)范疇，數(shù)值計(jì)算方法可分為Lagrangian方法、Eulerisn方法以及2種方法的結(jié)合ALE。Lagrangian對于高速流動(dòng)的流體力學(xué)不適用；Eulerisn方法中材料通過單元對流，本構(gòu)方程的處理與更新困難；而ALE有限元格式集合了Lagrangian方法和Eulerisn方法二者的優(yōu)點(diǎn)，可將它們的缺陷降至最低［7］，計(jì)算過程運(yùn)用流固耦合算法，即裝藥殼體與靶板采用Lagrange方法，藥型罩、炸藥與空氣采用ALE方法。

仿真模型表達(dá)材料在各種作用力下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，用正確的數(shù)學(xué)模型反映這種關(guān)系是進(jìn)行有效數(shù)值模擬的重要前提。本文采用高能炸藥燃燒模型HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN和應(yīng)用最廣泛、不顯含產(chǎn)物組分的JWL狀態(tài)方程共同描述炸藥的爆炸產(chǎn)物。藥型罩、靶與殼體材料采用Johnson－Cook模型以及Gruneisen狀態(tài)方程描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。Johnson－Cook模型是描述材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)模型，適用于許多材料，包括大部分金屬材料；Johnson－Cook模型在較低的應(yīng)變率條件下，甚至在準(zhǔn)靜態(tài)范圍內(nèi)仍然有效，模型的典型應(yīng)用包括金屬爆炸成型、彈丸侵徹和沖擊［8］?？諝獠牧喜捎肗ULL模型，該材料沒有屈服強(qiáng)度和類似流體的行為，在拉伸時(shí)壓力截止值為負(fù)；此外，NULL必須與一狀態(tài)方程同時(shí)使用。本文選理想氣體狀態(tài)方程描述

式中，p為空氣壓力；γ為多方指數(shù)；ρ為空氣現(xiàn)時(shí)密度；ρ0為初始密度；E為空氣能量密度。理想氣體狀態(tài)方程可以通過設(shè)置LS－DYNA程序中預(yù)定義的線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程LINEAR＿POLYNOMIAL的相關(guān)常數(shù)得到。

3.2 計(jì)算分析

圖4為3個(gè)典型時(shí)刻現(xiàn)象的相應(yīng)數(shù)模圖。為了清晰表達(dá)射流狀態(tài)及侵徹鋼靶，僅給出射流和靶板2個(gè)部分。圖4（a）為射流剛接觸靶板瞬間的狀態(tài)，射流短而粗，頭部明顯呈現(xiàn)為一段大質(zhì)量蘑菇頭狀，且存在極少高速細(xì)束射流已先行作用于靶面，此射流成形特點(diǎn)是判定大孔徑射孔彈設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵［9－10］。圖4（b）為射流侵徹鋼靶的初期，靶鋼翻出，在靶板上形成一個(gè)近漏斗狀的開坑，該階段是考核大孔徑彈穿孔性能的主要階段。圖4（c）中射流已基本失去繼續(xù)穿孔的能力，主要展示孔道形狀。整個(gè)孔道除漏斗區(qū)外的其他部分徑向尺寸一致性較好，測得最大孔徑Dmax＝16.170 96 mm（1／3D裝藥≤Dmax≤1／2D裝藥，D裝藥＝38 mm）出現(xiàn)在距入口17.063 mm處附近，穿深L≥100 mm（模型鋼靶總長100 mm）。

圖4 聚能射流姿態(tài)與穿45號鋼靶孔形

3.3 模擬評價(jià)

整個(gè)模擬過程侵徹體射流的輪廓外形、連續(xù)性、拉伸性良好，杵體質(zhì)量小。應(yīng)用后處理軟件可測繪得射流頭部速度歷程曲線，與深穿透射孔彈相比，最大速度較低，約6 170 m／s，總侵徹時(shí)間也小于一般深穿透射孔彈的侵徹時(shí)間。

此外，在鋼靶上形成的孔道錐度小、均勻性好?？紤]到射孔槍井下作業(yè)施工的實(shí)際情況，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可形成槍管上小孔徑、而套管和巖層上大孔徑的效果，這表明射流速度在軸向分布合理，有效利用了裝藥能量。

依據(jù)GB／T 20489－2006按裝藥量分組的射孔彈地面穿鋼靶孔徑、深度值指標(biāo)（見表1）可知，優(yōu)化后的大孔徑射孔彈達(dá)標(biāo)。鑒于模擬采用的是紫銅罩，主要是觀察射流的成形狀態(tài)與侵徹孔道規(guī)律，所以只要選擇合適的粉末配方按照該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完全可以滿足指標(biāo)或得到更大孔徑值與穿深值。

表1 大孔徑射孔彈穿鋼靶孔徑和深度下規(guī)格限

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了保證材料強(qiáng)度模型和狀態(tài)方程各參數(shù)取值的準(zhǔn)確性，模擬計(jì)算采用紫銅罩，生產(chǎn)應(yīng)用粉末罩。選擇某一預(yù)定低密度藥型罩配方壓制粉末罩若干發(fā)，從中選取6發(fā)壓彈［11］。參照 GB／T 20488－2006中射孔彈地面穿鋼靶試驗(yàn)要求，對BH38RDX－46－89型優(yōu)化彈進(jìn)行組合靶射孔性能測試；其中在全面考慮射孔施工作業(yè)環(huán)境狀況的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)檢測裝置進(jìn)行了改進(jìn)（見圖5），副靶1厚6.5 mm，副靶2厚10 mm。穿孔效果見圖6；副靶通孔及組合靶穿深數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

圖5 試驗(yàn)檢測裝置原理圖

4.2 數(shù)據(jù)分析

圖6 穿孔效果圖

依據(jù)GB／T 20489－2006，將副靶2通孔孔徑作為考核的核心指標(biāo)。從表2中可以看出，優(yōu)化后的89型大孔徑射孔彈在地面條件下穿鋼靶的綜合性能指標(biāo)大幅提高，其中在能較真實(shí)地表征套管孔徑的副靶2上達(dá)到了平均值16.3 mm的良好開孔效果，并且穿深優(yōu)勢明顯。該設(shè)計(jì)使得BH38RDX－46－89型大孔徑射孔彈兼具大孔徑、高穿深雙優(yōu)特點(diǎn)，彌補(bǔ)了原產(chǎn)品不甚理想的缺點(diǎn)，為進(jìn)一步研發(fā)高孔密大孔徑深穿透射孔彈打下了基礎(chǔ)。

表2 地面穿鋼靶射孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

應(yīng)用微差法設(shè)計(jì)的優(yōu)勢表現(xiàn)為藥型罩、殼體內(nèi)腔均是一分段組合結(jié)構(gòu)，可通過確定主要考查指標(biāo)的權(quán)重分配，分析當(dāng)前結(jié)構(gòu)指標(biāo)優(yōu)勢偏向，適當(dāng)將對主要指標(biāo)貢獻(xiàn)較大段藥型罩或殼體內(nèi)腔側(cè)重設(shè)計(jì)以得到預(yù)期最佳性能。因此，該優(yōu)化設(shè)計(jì)僅是一個(gè)成功應(yīng)用案例，不排除再經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)節(jié)修改各段尺寸參數(shù)后推廣應(yīng)用到其他彈型達(dá)到更好的性能效果。

5 結(jié) 論

（1）在理論分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用CAE軟件對89型大孔徑射孔彈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種新結(jié)構(gòu)藥型罩及裝藥殼體，該結(jié)構(gòu)得到了實(shí)驗(yàn)檢測，為新結(jié)構(gòu)的推廣引用提供了參考。

（2）利用FEM動(dòng)力學(xué)分析模塊LS－DYNA3D對初步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案下的射流成形和侵徹鋼靶進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬過程與結(jié)果為進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（3）大孔徑射孔彈的設(shè)計(jì)要充分考慮大孔徑的形成機(jī)制，綜合基礎(chǔ)理論分析、CAE輔助設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真及試驗(yàn)檢測進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)，避免僅靠經(jīng)驗(yàn)反復(fù)改進(jìn)，確保設(shè)計(jì)更加科學(xué)規(guī)范。

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