1 绪论
1.1 研究背景与意义
近年来，在我国经济不断发展的情况下，人们的生活质量在不断地得到改善，石油不仅在企业生产占据重要地位，而且与人们生活密切相关。如今现代工业的生产以及现代文明、经济的发展都离不开石油的发展，石油既是物质基础，也是非常重要的能源基础，各个行业的发展都已经对石油产生了相当高的依赖性[1]。在全世界由于石油的分布不均以及不可再生的特点，使其在市场上的供需问题更加突出，特别是在过去的两次石油危机下更显得石油的可贵与稀缺。在 19 世纪中期石油工业才得以诞生，由于当时石油勘探技术以及开采技术发展的限制，石油成为当今世界范围内的重要战略物资[2]。
目前随着我国石油开采技术的不断发展，我国的石油开采量得到了有效的提升。但是由于许多技术的限制，油气资源的开采进入中后期高含水、高采油速率、高采出程度的“三高”开采阶段，并向着低渗透、非常规、异常高压、深层发展，使得石油在进一步的开采过程中面临严峻的挑战，开采技术的研究存在作业频繁、单井产量低、成本居高不下、能耗巨大、安全环保等众多问题。因此，必须注重石油开采过程中各项技术的发展。
有效的油气通道的形成离不开高效的聚能射孔技术，它主要的实现过程是通过利用石油射孔枪中的聚能射孔弹在爆轰过程中产生的高温高速聚能金属射流，在非常短暂的时间内将井筒介质与地层介质相互打通，最终形成有效的油气通道。石油射孔技术对我国石油工程的开采起着重要作用，在石油工程中得到广泛的应用，并且随着石油工程的不断发展以及对石油需求量的加大，聚能射孔技术不得不大力推广和发展，更加体现它的显著性应用优势。与此同时，在聚能射孔技术的广泛应用过程中，还或多或少存在着一定的问题，影响着我国石油工程开采的进度与产量，因此改进聚能射孔技术，优化开采措施以及施工工艺，是我国石油开采工程在以后发展过程中的首要任务。
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1.2 聚能射流侵彻的研究现状
1.2.1 聚能射流侵彻的研究现状
聚能现象是通过一次偶然的炸药爆炸现象被发现，但在当时落后的科学技术条件下，很难对这一新现象做出实际性的研究。直到十九世纪中期，在诺贝尔的研究下炸药技术进入了鼎盛时期，进而促使了聚能效应的迅速发展[3]。1894 年，Munroe 将一个锡罐四周和顶部用炸药包围，将锡罐的开口朝下，炸药起爆后最终在钢保险柜的顶部形成了一个孔道。通过进一步的研究，首个带有金属药型罩的成型装药结构得以问世。聚能装药，是一种一端装有内凹金属罩（药型罩）的装药，在另一端引爆后，爆轰波从药型罩顶部掠至尾部时，将罩以很大的速度向轴向挤压，使金属罩变形并在轴线处发生碰撞、挤压，同时在碰撞高压的作用下，汇成一股连续高速金属流[4、5]，形成聚能射流。在聚能射流形成的过程中，射流的速度具有不均性，由于速度梯度的存在会导致射流长度逐渐拉长，最终可能使射流拉断。
聚能装药结构能够在轴线上产生极大的能量密度，并且具有强烈的侵彻破坏性能，聚能装药的射孔技术在军事上的应用也相当广泛，主要有破甲弹、地雷、鱼雷、导弹和钻地炸弹等军事武器。现如今军转民的类型也越来越多，在民用上的应用主要有石油开采、矿山开采、打捞沉船、资源勘探、城市建筑拆除、研究材料在高压下的力学性能等领域。在民用的石油开采方面，为了提高石油产量，针对各种复杂的井下环境，石油射孔行业的研究者不断地努力研制了一系列新型的射孔弹。
上世纪 40 年代，人们就开始了对聚能效应的研究。主要的研究方面包括聚能射流侵彻的理论、实验、数值模拟和应用等。
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2 聚能射流成型与侵彻的基本理论
2.1 聚能射流成型与侵彻过程及特征
聚能装药从开始起爆到最终的射流侵彻，其形成的过程是相当复杂的，它是利用高能炸药爆炸后产生的爆轰波作用到药型罩上，药型罩在被压垮变形的过程中在轴线上发生多次碰撞而形成高温、高压、高能量密度的聚能射流，最终对目标体进行侵彻破坏。整个过程包括着声音、光学、热能、振动以及复杂的高速化学反应和力学应变的相互作用，其形成的过程可分为如下几个阶段：
1）炸药的爆轰反应
起爆器作用后，使得主装药发生爆轰；主装药以球面散心爆轰波向四周传播。
2）爆轰产物对药型罩的驱动
爆轰波与药型罩相遇，在高温高压产物的作用下药型罩被压垮运动。不同的装药结构会产生不一样的爆轰波形，因此药型罩被压垮的运动轨迹也就不同。
3）药型罩的压垮加速段
药型罩微元在爆轰压力的作用下以不同的压垮角向轴线聚集，不同位置的药型罩微元由于距离轴线的距离不同以及所受的爆轰压力不同，所以每个微元的加速距离不同，而且获得的初始速度也不同。最终在轴线上形成的射流微元的速度有所差异，相互之间发生多次碰撞，推动射流成型，提高射流头部速度。
4）射流与杵体分离
所有药型罩微元都汇集在轴线上，形成高速运动的金属射流以及较低速度的杵体。由于聚能射流存在较大的速度梯度，随着时间的推移，射流不断拉伸，最终射流与杵体发生分离。
5）射流拉断与断裂
随着时间的延续，射流的速度梯度更加明显，在拉伸过程中射流头部开始发生断裂，分割成数个小段。
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2.2 聚能射流成型的基本理论
2.2.1 聚能射流成型的定常不可压缩理想流体理论
1948 年，伯克霍夫（Birkhoff）等人最早比较全面系统的对聚能射流成型理论进行了研究。这一理论的研究促进了聚能射流在后续的快速发展。该理论的假设条件有，忽略药型罩的材料强度，将其当作理想流体计算，因为炸药起爆后产生的爆轰波对药型罩造成的压力要远远大于药型罩的材料强度，甚至达到几十个 GPa。药型罩在被压垮过程中，由于其体积和形状的变化都是极其微小的，因此将其忽略不计。最终认为在聚能射流形成过程中将药型罩当作不可压缩理想流体。
如图 2-3 所示为药型罩在爆轰压力作用下被压垮的过程示意图。OC 表示药型罩在未受爆轰压力时的位置，当炸药起爆爆轰波作用在药型罩 A 点时，设 A 点的压垮速度为 v0，其变形角为 δ，BC 与轴线的夹角称为压合角，用 β 表示。聚能射流成型理论假设：药型罩上每个微元的压合速度都为 v0，并且以相同的方向运动；变形过程中药型罩长度不变，即 AC=BC。点 E 和点 B 均为点 G 和点 A 到达轴线的碰撞点，其运动速度保持不变，为v1。
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3.1 AUTODYN 软件简介 ............................................ 21
3.2 聚能射流的数值模拟方法 ....................... 22
4 新型药型罩结构聚能射流过程的数值模拟 ............................ 32
4.1 新型药型罩结构设计及材料模型 .............................. 32
4.1.1 新型药型罩结构设计 ............................... 32
4.1.2 新型药型罩材料模型参数 ............................. 33
5 新型药型罩结构侵彻过程的数值模拟 ..................................... 57
5.1 新型药型罩结构对混凝土靶板侵彻数值模拟 .......................... 57
5.1.1 新型药型罩结构参数 ............................................. 57
5.1.2 新型药型罩结构侵彻模拟 .................................. 57
5 新型药型罩结构侵彻过程的数值模拟
5.1 新型药型罩结构对混凝土靶板侵彻数值模拟
5.1.1 新型药型罩结构参数
通过第四章应用数值模拟的方法对四种影响因素对新型药型罩结构聚能射流的形成过程进行了系统的分析研究。针对单层药型罩，最终确定辅助药型罩厚度 l 为 3.5mm，直径 R=16mm，其 R 比截顶直径大 4mm；采用变壁厚药型罩结构，药型罩顶部厚度 η1=0.8mm、药型罩拐角厚度 η2=1.0mm、药型罩底部厚度 η3=2.2mm；药型罩小锥角 α 为 40°，大锥角 β 为 110°，辅助药型罩材料为 Wu，药型罩材料为 Al 的方案为最优方案。
5.1.2 新型药型罩结构侵彻模拟
利用 AUTODYN 软件对最终优化的新型药型罩结构进行侵彻混凝土靶板模拟，具体的侵彻模型如图 5-1 所示，炸高为 2 倍装药直径（即炸高为 120mm）。靶板尺寸为260×100mm，其中混凝土靶板采用拉格朗日方法，与欧拉方法进行耦合，混凝土材料选择 AUTODYN 材料库中的 CONC-35MPA，采用 Palpha 状态方程和 RHT Concrete 本构模型，具体的材料参数如表 5-1 所示。
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6 结论及展望
6.1 结论
本文利用 AUTODYN 有限元分析软件对传统的单锥形药型罩结构和双锥形药型罩结构形成的聚能射流过程进行了数值模拟。在分析对比两种药型罩结构的结果基础上，提出了新型药型罩结构，即在双锥型药型罩结构上添加辅助药型罩，并对新型药型罩结构下的聚能射流进行了数值模拟分析。同时，通过数值模拟方法研究了辅助药型罩直径、厚度、材料以及药型罩大小锥角、厚度、材料等影响因素对新型药型罩结构形成聚能射流的影响，确定了较优的药型罩结构参数。最后利用数值计算方法对优化后的新型药型罩结构侵彻混凝土靶板进行了计算，研究了炸高对侵彻性能的影响。研究表明：
（1）利用相同的材料参数在同等条件下对传统的单锥形药型罩结构和双锥形药型罩结构聚能射流进行数值模拟，分析对比两者的射流形态、长度、头部速度等，最终得出采用双锥形药型罩所形成的射流直径小，长度大，头部速度高，但是在射流形成过程中的断裂比较严重，因此还需要对其进行进一步的优化设计。
（2）通过对新型药型罩结构聚能射流进行数值模拟，聚能射流头部的最大速度为9511m/s，相比前两种药型罩结构分别高出 19.8%、13.6%，聚能射流头部尖细，在 20μs后杵体直径明显要小于射流的最大直径。随着时间的推移，射流在不断的拉伸，最终出现断裂现象，这是一个需要解决的问题，因为射流的断裂将会直接影响侵彻效果。
（3）分别对新型药型罩结构中的辅助药型罩直径、厚度、材料以及药型罩的大小锥角、厚度、材料等影响因素进行方案分析，研究了各个因素对聚能射流的影响。在聚能效应下，药型罩的形状和材料决定着聚能射流的形状和速度。在仅考虑单层药型罩结构情况下，得出的较优新型药型罩结构参数为：辅助药型罩厚度 l 为 3.5mm；采用变壁厚药型罩结构，药型罩顶部厚度η1=0.8mm、药型罩拐角厚度 η2=1.0mm、药型罩底部厚度 η3=2.2mm；药型罩小锥角 α 为 40°，大锥角 β 为 110°，辅助药型罩材料为 Wu，药型罩材料为 Al。
（4）新型药型罩结构形成的聚能射流对混凝土靶板有较强的侵彻能力，在侵彻 70μs后，最终形成深度为 195mm，孔径为 14.2mm 的孔道。通过改变炸高对新型药型罩结构侵彻效果的影响，结果得出，随着炸高的增大，聚能射流的侵彻深度是先增大后减小，侵彻的平均孔径在逐渐减小，最有利的炸高区域为 120mm~150mm，在此区域聚能射流才能得到足够的拉伸长度和较大能量。
参考文献（略）