射孔彈聚能射孔數值仿真系統*

郝永平，許 靖

（沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159）

0 引言

由于石油射孔爆炸試驗費用昂貴［1－3］，爆炸后測量穿深等數值條件的限制［4］，很大程度上限制了油井射孔的試驗研究。在石油裝備的研發過程中，將結構優化設計理論方法以及現代CAE技術［5－6］融合運用到射孔彈的結構設計中，可以有效縮短設計產品的周期，改良產品性能，降低產品開發成本。

ANSYS提供開放的二次開發功能［7］，文中將VB與ANSYS相結合，使用APDL語言結合VB對模型尺寸進行參數化，解決重復建模困難的問題。系統具有良好的人機交互界面，方便不熟悉ANSYS的用戶使用。

1 軟件系統流程設計

1.1 流程及原理圖

應用APDL語言編制命令流文件，用VB調用ANSYS，對ANSYS進行封裝。ANSYS每運行一次生成一段*.log文件，在文件中記錄了運行過程中的每一個命令，方便下一次建模進行某些參數的修改。輸入的參數通過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調入新命令，形成用戶所需要的*.log文件。調用分析結束之后，使用VB命令來查看用戶所需數據。系統流程圖如圖1所示。

圖1 ANSYS與VB結合系統流程圖

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:

該系統關鍵點就是調用LS-DYNA 970求解器，進行分析時直接運行批處理文件即可進行計算。首先建立一個批處理命令文件如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算結果存放路徑，其余行是LS-DYNA求解器所在路徑，計算的K文件為skd1.k。編輯重啟動分析計算的命令輸入后保存，鼠標雙擊該批處理命令即可開始進行分析計算。

1.3 程序設置

調用ANSYS完成后生成*.k文件，修改文件的正確與否決定動力學仿真的精確性，在系統運行過程中修改k文件是一項復雜的工作任務，以下為修改文件的部分程序:

2 應用實例

以某種型號的石油射孔彈為例驗證系統的可行性，結構如圖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文件中已經設定完整。

圖2 射孔彈結構圖

2.1 用戶界面前處理

應用程序關于參數選擇部分流程圖，反映了參數之間的關系，如圖3所示。

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

2.2 分析計算

如圖5所示，界面顯示三種型號模型，分析計算時先選擇用戶所需射孔彈類型再調用ANSYS，通過調用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 參數選擇流程圖

圖4 參數輸入界面

圖5 調用ANSYS并查看模型界面

2.3 查看結果

在圖 6中分別顯示了在 15μs、30μs、45μs、60μs時線性聚能射流形成及侵徹鋼板過程中的幾個典型瞬態。圖6（a）炸藥起爆后15μs時藥型罩形成射流情況，藥型罩頂部向兩邊移動，形成杵狀金屬射流;圖6（b）炸藥起爆30μs時的情況，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時的情況，可以看在運動過程中射流狀杵體逐漸變細長，對靶板的穿孔深度越來越大，這與藥型罩的形狀有關。

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，使得罩內壁材料獲得極大的運動速度后被擠出，形成射流。本次模擬穿深結果為125.73cm。在實際試驗中射孔彈的穿深結果如表1所示。

圖6 射流穿孔過程

表1 試驗穿深結果 cm

從數據可以看出，該型號的射孔彈穿深在125cm左右，經過多次仿真驗證，系統仿真穿孔深度符合實際試驗穿孔深度的范圍，說明該系統的準確性與可行性。

3 結論

文中提供了一種基于VB與ANSYS間調用的一種方法，利用VB開發可視化界面，只需在界面上輸入所需要的數據，減少復雜建模步驟，實現參數化建模，對于不懂VB和ANSYS的技術人員，無需學習VB和ANSYS也可完成參數化建模，對結構相似的模型，只需對參數進行簡單修改即可完成建模計算分析，這樣可以提高工作效率。結果表明，系統可以實現參數化，并能準確建模分析，得出穿深結果。

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