基于TrueGrid软件的射孔弹有限元仿真模型参数化建立方法

2013-12-03罗宏伟郭鹏王树山徐豫新

测井技术 2013年2期

罗宏伟，郭鹏，王树山，徐豫新

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆400021；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

0 引言

通常以射流成型及侵彻作用机理为基础进行射孔弹弹体结构设计，但射孔作业具有作用空间小、高温高压环境、作用时间短暂、射流超塑性动态变形与枪管套管和岩层的高应变率破裂成孔相耦合、高强度爆炸载荷非对称分布等特征，系统的理论分析体系尚未建立。依靠实验研究对射孔弹结构设计与优化的支持力度有限。因此，在早期的射孔弹研制中主要依靠经验积累，通过“画—加—打”的方法进行。近年来，采用有限元仿真技术在计算机上再现射孔弹作用过程已成为辅助射孔弹结构设计与优化的有效方法和手段。但在有限元仿真中，爆炸作用时高速、高压气体流动特性对结构离散化后的网格质量提出了较高的要求，尺寸均匀的六面体网格是仿真计算的前提条件，同时也直接影响着仿真结果的准确性。射孔弹结构并不规则，尺寸均匀六面体网格的划分不仅需要几何拓扑学基础，而且往往消耗大量时间，是现阶段困扰射孔弹研制人员的一个难题。

采用参数化离散方法实现同类结构有限元仿真模型建立是简化同类模型建立步骤，实现模型快速建立的有效方法。本文选取弧顶单锥类射孔弹进行射孔弹结构特征分析，依据TureGrid软件的建模方法［1］，提出弧顶单锥类射孔弹有限元仿真模型的参数化建立方法，并编写了应用程序，为该类射孔弹有限元分析模型的快速建立提供了一种方法和手段。

1 射孔弹结构特征分析

选取弧顶单锥类射孔弹进行有限元仿真模型参数化建立方法研究。因有限元仿真时药型罩、炸药采用Euler算法，壳体采用Lagrange算法。因此，根据算法的不同，分别进行各自结构特征分析和参数化离散方法研究。

1.1 药型罩及装药结构特征分析

因炸药爆炸驱动下药型罩的压合成型仿真采用Euler算法进行，装药、药型罩界面的网格只有共节点才能实现能量的传递。所以，在模型建立时，将装药、药型罩作为一个整体进行。根据弧顶单锥类射孔弹结构特征［见图1（a）］，选取L1、L2、L3、L4、L5、D1、D2、D3、D4、A1、A2、A3、R1、R2、R3 共 15个参量表征，表征参量构成一个封闭的尺寸链［见图1（b）］。

1.2 壳体结构特征分析

对于射孔弹壳体结构（见图2），选用Ld1、Ld2、Ld3、Lu1、Dr1、Dr2、Dl1、Dl2、Dl3、Dl4、A1、A2、A3、R1、R2共15个参量表征，表征参量同样形成一个封闭的尺寸链。

2 射孔弹结构参数化离散方法

2.1 药型罩及装药结构参数化离散方法

射孔弹有限元仿真模型可在TureGrid软件中生成。TureGrid软件通过投影的方法生成网格，可以使用参数、代数公式、条件语句、循环语句等，具备参数化建模功能。

对于射孔弹有限元仿真模型，将空气域、装药、药型罩在径向作为一个整体进行模型建立，通过将材料ID赋于不同的值实现各部分的区分（见图3）。

图3 模型径向整体建立方法示意图

对于装药和药型罩，除将表征其结构的15个参量（L1、L2、L3、L4、L5、D1、D2、D3、D4、A1、A2、A3、R1、R2、R3）设置为可变参量外，还需将最小网格尺寸设置为可变参量Mesh＿S，15个参量中的12个长度度量值与最小网格尺寸之比即为结构在长度上的节点数。在TureGrid软件中实现的代码如下。

c结构参量

parameter D1 0.183

c网格节点参量

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

在建立block或cylinder时，可在TureGrid软件中通过代数计算获得节点数，并进行参量设置，将block或cylinder向辅助曲面进行投影，就可获得轴向和径向网格尺寸基本一致的有限元分析模型。

图4 网格过渡映射示意

在投影时，通过增加网格节点数解决沿周向单个网格尺寸逐渐变大的问题。根据该类射孔弹的结构特征，沿轴向建立8个圆柱面，通过8部分分体建模的方法实现模型每一部分的建立，并通过bb、trbb命令实现网格1对3、2对4或3对1、4对2的过渡映射（见图4）。采用上述方法获得的装药、药型罩和空气域的有限元分析模型（见图5）。