射孔弹聚能射孔数值仿真系统*

郝永平，许 靖

（沈阳理工大学机械工程学院，沈阳 110159）

0 引言

由于石油射孔爆炸试验费用昂贵［1－3］，爆炸后测量穿深等数值条件的限制［4］，很大程度上限制了油井射孔的试验研究。在石油装备的研发过程中，将结构优化设计理论方法以及现代CAE技术［5－6］融合运用到射孔弹的结构设计中，可以有效缩短设计产品的周期，改良产品性能，降低产品开发成本。

ANSYS提供开放的二次开发功能［7］，文中将VB与ANSYS相结合，使用APDL语言结合VB对模型尺寸进行参数化，解决重复建模困难的问题。系统具有良好的人机交互界面，方便不熟悉ANSYS的用户使用。

1 软件系统流程设计

1.1 流程及原理图

应用APDL语言编制命令流文件，用VB调用ANSYS，对ANSYS进行封装。ANSYS每运行一次生成一段*.log文件，在文件中记录了运行过程中的每一个命令，方便下一次建模进行某些参数的修改。输入的参数通过VB中的‘print’命令将流逐条形成，保存到*.txt中，在*.log文件中使用/input调入新命令，形成用户所需要的*.log文件。调用分析结束之后，使用VB命令来查看用户所需数据。系统流程图如图1所示。

图1 ANSYS与VB结合系统流程图

1.2 接口问题

首先是*.log文件的提交，在按钮控件中添加如下代码:

该系统关键点就是调用LS-DYNA 970求解器，进行分析时直接运行批处理文件即可进行计算。首先建立一个批处理命令文件如lsyna.bat，输入如下的命令行［8］:

其中:第一行是K文件所在文件夹及计算结果存放路径，其余行是LS-DYNA求解器所在路径，计算的K文件为skd1.k。编辑重启动分析计算的命令输入后保存，鼠标双击该批处理命令即可开始进行分析计算。

1.3 程序设置

调用ANSYS完成后生成*.k文件，修改文件的正确与否决定动力学仿真的精确性，在系统运行过程中修改k文件是一项复杂的工作任务，以下为修改文件的部分程序:

2 应用实例

以某种型号的石油射孔弹为例验证系统的可行性，结构如图2所示。

炸药材料采用高能炸药材料模型（MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），药型罩壳体材料采用材料模型（MAT_JOHNSON_COOK）。空气材料模型采（MAT_NULL）。以上在APDL文件中已经设定完整。

图2 射孔弹结构图

2.1 用户界面前处理

应用程序关于参数选择部分流程图，反映了参数之间的关系，如图3所示。

参数界面的输入包括:弹壳材料参数、炸药参数、药型罩参数、介质参数、靶板参数和尺寸参数，利用VB设计界面逐步输入以上参数，通过可视化界面可以方便的修改用户所需要参数。靶板参数输入界面如图4所示。

2.2 分析计算

如图5所示，界面显示三种型号模型，分析计算时先选择用户所需射孔弹类型再调用ANSYS，通过调用VB程序来访问该程序目录以显示这些图形文件是否符合用户要求。VB前处理程序主要是提取模型，检查图形的正确性。

图3 参数选择流程图

图4 参数输入界面

图5 调用ANSYS并查看模型界面

2.3 查看结果

在图 6中分别显示了在 15μs、30μs、45μs、60μs时线性聚能射流形成及侵彻钢板过程中的几个典型瞬态。图6（a）炸药起爆后15μs时药型罩形成射流情况，药型罩顶部向两边移动，形成杵状金属射流;图6（b）炸药起爆30μs时的情况，正是形成高能量金属射流的过程;图6（c）炸药起爆45μs时的情况，药型罩底部的金属不能形成有效的射流，而生成无效的碎片;图6（d）表示起爆60μs时的情况，可以看在运动过程中射流状杵体逐渐变细长，对靶板的穿孔深度越来越大，这与药型罩的形状有关。

LS-DYNA很好的模拟了射流形成过程，炸药爆轰后压合药型罩，罩微元在轴线上碰撞、挤压，使得罩内壁材料获得极大的运动速度后被挤出，形成射流。本次模拟穿深结果为125.73cm。在实际试验中射孔弹的穿深结果如表1所示。

图6 射流穿孔过程

表1 试验穿深结果 cm

从数据可以看出，该型号的射孔弹穿深在125cm左右，经过多次仿真验证，系统仿真穿孔深度符合实际试验穿孔深度的范围，说明该系统的准确性与可行性。

3 结论

文中提供了一种基于VB与ANSYS间调用的一种方法，利用VB开发可视化界面，只需在界面上输入所需要的数据，减少复杂建模步骤，实现参数化建模，对于不懂VB和ANSYS的技术人员，无需学习VB和ANSYS也可完成参数化建模，对结构相似的模型，只需对参数进行简单修改即可完成建模计算分析，这样可以提高工作效率。结果表明，系统可以实现参数化，并能准确建模分析，得出穿深结果。

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