基于SPH方法的射孔枪设计及射孔过程研究
射孔应用技术探讨
相位是指相邻两发射孔弹之间的 夹角；
方位是指井筒俯视面上孔眼个数；
布孔格式则是指单位面积内射孔
弹的排布方式。
大港测井公司
不同孔密相位方位布孔格式展开图
大港测井公司
相同孔密（16孔/米）射孔器 不同相位方位布孔在51/2″套管展开图
60°
90°
135°/45°
大港测井公司
受电缆输送能力或者防喷管长度的
限制，一次下枪的长度有限
大港测井公司
过油管射孔（TTP）
优点：
能进行负压射孔，对地层污染小
缺点：
枪、弹受油管内径的限制，穿深 浅、孔径小，影响产能；施工过 程中，易发生阻、卡等工程事故
大港测井公司
管柱传输射孔（TCP）
优点： 负压射孔，减少地层污染； 不受射孔井段长度限制，可一次完成 数百米井段射孔； 适用于水平井或大斜度井施工作业； 易与其他工艺进行联合作业。
大港测井公司
不同地质类型对射孔参数的选择
管柱防砂，选用高孔密、小孔径、多相位均匀布孔， 防砂效果更好。
需要砾石充填，选用大孔径、高孔密。既保证流动面
积，又保证较大的充填容量
大港测井公司
不同地质类型对射孔参数的选择
稠油地层
应选用大孔径及高孔密，可以减少摩阻损失，降低流体
的携带能力；对于需强采的地层，有利于提高产量
大港测井公司
射孔发展过程
最早的完井方式是裸眼或者筛管完井，随着固井工艺 的产生，发展了射孔采油工艺。20-固井，26-子弹射孔研
究，32年应用子弹式射孔，46年研究聚能射孔弹。52年应
用聚能射孔至今。 聚能射孔是靠聚能射流穿透射孔枪、套管、水泥环后， 在井筒与地层之间形成通道。
射孔枪射孔过程数值模拟及参数控制
１．７４ ｌ－６１
１．５６ １．７０
１．１６
１．１
Ｏ．９９
１．１６
２．１．２盲孔半径影响 增加盲孔的半径，由１５．８７５ｍｍ增加到２０ｒａｍ，
得到的开孔及毛刺情况如图４所示，重新计量孔边 毛刺的高度，如表３所示。
表３盲孔半径为２０ｍｍ时的最大毛刺高度 Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｆｌａｓｈｅｓ ｗｈｅｎ Ｒ一２０ｍｍ
第１５卷
Ｔａｂ．２
表２射流速度对毛刺高度的影响 Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｆｆｌｕｘ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｎ ｆｌａｓｈ ｈｅｉｇｈｔ
速度／ｍ／ｓ Ｍａｘｌ
９００
２．２ｌ
１１００
１．８
２０００
１．３
Ｍａｘ２
２．１７ １．８ １．２５
毛刺高度／ｍｍ Ｍａｘ３ Ｍａｘ４
２．１６
１．９７
Ｍａｘ５ 平均值
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４ Ｃｈｉｎａ）
模拟不同盲孔直径、不同孔深、不同射流速度等情 况下的碰撞过程，研究不同情况下射流开孔的情况， 并判断开孔形貌与射孔枪参数的关系。
表１ ４０Ｃ’ＮｉＭｏ材料性能 Ｔａｂ．１ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ４０ＣｒＮｉＭｏ
ａｓ／ＭＶａ
％／ＭＰａ
国。／％
ＨＲＣ
８８８
１０４３
１２．７
３２
万方数据
石油射孔枪结构分析与优化设计
石油射孔枪结构分析与优化设计摘要：在油田井下作业过程中，油井射孔枪在施工作业中的射孔质量会对油田生产井的产量及油气勘探效果产生重要影响因素，对此，本文基于油井射孔枪的工作原理，分析了射孔枪结构常见损坏方式，例如过量塑性变形损坏以及本体断裂损坏。
提出油井射孔枪结构优化思路与设计，包括射孔枪盲孔和射孔枪壁厚优化设计，以及如何应用ANSYS软件计算并找到最优设计参数，以期能够为相关工作者提供借鉴与帮助。
关键词：射孔枪；结构分析；优化设计射孔枪是目前油田勘探开发生产过程中必不可少的一种工具，其性能好坏将直接影响到油田油井产量、勘探成果。
但在实际生产中，因其射孔枪结构设计不当而导致的射孔质量无法保证，导致了许多的射孔事故，给相关企业带来了很大的经济损失。
所以，进行射孔枪的结构分析与优化设计，具有十分重要的实际意义与应用价值。
1油井射孔枪的工作原理油井射孔枪是一种用于油气井作业过程中对射孔弹进行定向爆炸的密封件，它一般由枪体、枪头、枪尾等组成，全部由无缝管构成，在管外壁上开有一个盲孔。
将目前常见的射孔枪分为输送方式、射孔方式、回收方式等几种。
在具体的工作过程中，当所有的准备工作都完成后，便会启动射孔枪的起爆装置，使其内部的导爆线以高速高压的方式进行爆炸，从而将装填在射孔枪内部的射孔弹引燥。
射孔弹内的火药在爆炸时，会产生很大的冲击力，这股力量会通过射孔弹内的锥形筒，产生沿轴线方向的推力，并最终聚集在一处，同时，在锥形筒顶部的力量会被施加很大的压力，使得它以很快的速度向前推进，穿过套管、水泥环以及地层，获得预期的射孔孔道。
2油井射孔枪结构常见损坏方式2.1过量塑性变形损坏形式在射孔枪的实际射孔作业中，当枪体所受到的荷载应力超过了枪体材料的屈服极限值时，射孔枪就会发生一定的变形，累积到一定值时，就会影响到油井射孔枪的正常工作。
其中最主要的一种故障就是射孔枪卡在井筒内部，造成卡钻事故。
2.2枪体断裂损坏形式与过量塑性变形损坏形式相比，枪体的断裂损坏形式的严重程度要更高一些。
基于SPH方法高速射流冲刷的模拟
基于SPH方法高速射流冲刷的模拟张德义;倪福生;王辉;顾磊【摘要】针对有限单元法在处理大变形中的网格重构、网格畸变等问题的困难,采用SPH方法模拟高速射流冲刷过程.SPH方法是一种纯拉格朗日型的无网格粒子法,能够有效地避免大变形中的各种网格问题.采用该种方法主要模拟不同工况下的冲坑发展情况,冲刷对象选LS-DYNA中的MAT147材料模型.计算结果表明采用SPH方法可以形象、直观地反映高速射流冲刷的过程,并且能够清楚地描述粒子速度场和砂床内部压力场的演变,所得结果可以为高速淹没射流的研究提供参考.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)024【总页数】5页(P165-168,194)【关键词】光滑粒子动力学方法;高速射流冲刷;材料模型;粒子【作者】张德义;倪福生;王辉;顾磊【作者单位】疏浚技术教育部工程研究中心(河海大学);河海大学机电工程学院,常州213022;疏浚技术教育部工程研究中心(河海大学);河海大学机电工程学院,常州213022;疏浚技术教育部工程研究中心(河海大学);河海大学机电工程学院,常州213022;疏浚技术教育部工程研究中心(河海大学);河海大学机电工程学院,常州213022【正文语种】中文【中图分类】O358在河道，港口等水利工程的疏浚工程中，特别是在板结土、岩石等硬质土的疏浚过程中，高速射流技术在提高疏浚作业效率上起到了很大的作用，已成为影响经济效益的主要因素之一。
射流冲刷主要应用在耙吸式挖泥船的作业中，耙吸式挖泥船作为一种自航、自载式挖泥船，其适应能力较强，主要适用于水域开阔的海港和河口较长的距离的航道施工，并且在恶劣的海况下仍可以继续进行施工作业，对航道中的其他船舶航行影响很小［1］。
国内外对射流冲刷进行了很多的研究，不仅有实验研究，例如刘成，等人对水平圆柱淹没射流进行实验研究，得出冲坑特征长度关于Fr，h/D，d50/D的变化规律［2］;还有对射流冲刷进行数值模拟的研究，例如槐文信等人利用动网格技术对射流冲刷进行数值模拟，并和实验现象进行对比，吻合较好，从而说明了数值模拟的有效性和准确性［3］。
基于修正SPH方法的聚能装药射流数值模拟
ａｎｄ
ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｓｍｏｏｔｈｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ
ｃａｎ
Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（ＳＰＨ）ｉｓ
ａ ｐｕｒｅ
Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｍｅｓｈｌｅｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｔ
ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
图３射流及杵体沿轴线位置的速度分布
４结论
在处理多介质、大变形问题时，网格方法在计算时不可避免的会出现网格的扭曲和缠绕，ＳＰＨ作为一 种无网格Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ粒子法，能根本解决这一问题。本文基于ｏｔｔ—Ｓｃｈｎｅｔｔｅｒ提出的修正ＳＰＨ方程模拟了聚 能装药的起爆，射流形成和发展的整个过程，算例模拟结果表明，这—修正能有效的避免传统ＳＰＨ方法在 处理大密度间断面时计算不稳定的情况。计算结果与物理现象和规律相一致，该方法可用于各种形式的爆 炸问题模拟。 参考文献：
基金项目：国家教育部ＮＣＥＴ资助项目，国家９７３资助项目（９７３－６１３３８），第二炮工程学院创新性探索研究资助项目（ＫＸ２００８１７２） 作者简介：４强洪夫（１９６５一），男，江苏武进人，教授，博导。主要从事材料与结构的失效行为与高性能数值模拟研究（Ｅ－ｍａｉｌ：Ｑｉａｎｇ＠２６３．ｎｅｔ）： 王坤鹏（１９ｓ３一），男，安徽界首人，研宄生，主要从事计算力学研究。
Ｃａｌｌ
ｄｅａｌ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｌａｒｇｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｈａｐｅｄ
ｃｈａｒｇｅｊｅｔ；ＳＰＨ；ｍｕｌｔｉ—ｍａｔｅｒｉａｌ；ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
射孔器及其检测技术综合研究与分析
射孔器及其检测技术综合研究与分析射孔器是用于油气井射孔的器材（或装置）及其配套件的组合体，其作用是打开井下封闭油气层的套管、水泥环并深入油气层，建立井筒与油气层间连通的通道，其性能的好坏直接影响到射孔完井效果。
一、射孔器发展概况（一）机械切孔器1910年，用一个机械刀片在套管上旋转钻孔，机械切孔器用钻杆下井，然后打开切刀，当切刀绕销钉旋转时，靠钻杆的上提力切入套管壁。
这种穿孔法速度慢、成本高，水泥环超过25mm厚时效果不佳。
（二）子弹射孔器1926年，Sid Mine首先发明了子弹射孔方法，美国兰威尔斯公司（现在西方阿特拉斯公司）获得了专利，于1932年首次用于油井套管射孔，在加利福尼亚Montebello油田一口800m深的井，用了8天时间，下井11次，共发射80枚子弹。
该射孔方法比机械切孔方法进一步，广泛使用了二十多年，目前国外仍有应用。
1、复合射孔器上个世纪八十年代，随着高能气体压裂技术的完善与发展，将聚能射孔与高能气体压裂相结合形成了复合射孔器。
射孔后，利用推进剂的快速燃烧产生高温高压气体，对地层进行造缝。
九十年代，复合射孔器得到了很大的发展。
复合射孔器按结构形式可以分为一体式、分体式、外套式、二次增效等。
2、水力喷砂射孔器上个世纪六十年代初以来，水力喷砂射孔在国外逐步成熟，美、俄等国相继用它在准备进行水力压裂的地层、聚能射孔效率不高并且地质和技术条件复杂的地层进行射孔，以及在一些特殊条件下使用。
这种方法是借助于含有分选好的石英或其它磨料的高压液流进行井下射孔。
液流通过喷嘴的速度约150～250m/s，流量约1L/s～6L/s，枪外径约80～230mm，枪身用油管下入井中，井口泵为2～8台大功率泵。
该技术在俄罗斯使用较多，约占其射孔作业的5%。
二、聚能效应在谈聚能射孔器之前，首先要了解聚能效应。
为了说明聚能效应，首先看一组实验结果，实验的目的是比较不同装药结构穿钢板能力。
见图1-1-1。
基于SPH方法的射孔枪设计及射孔过程研究
第 ５ 期
测
井
技
术
Ｖｏ． ５ Ｎｏ ５ Ｉ３ ．
Ｏｃ ０ １ ｔ２ １
２ １ 年 １ 月 ０１ Ｏ
文章 编号 ：０ ４１ ３ （ ０ １０ —４ ７０ １ ０ —３８ ２１ ）５０ ８—７
Ｗ ＥＬＬ ． ＩｏＧＧＩ ＮＧ ＴＥＣＨ Ｎ０Ｌ０ＧＹ
基 于 Ｓ Ｈ 方 法 的 射 孔 枪 设 计 及 射 孔 过 程 研 究 Ｐ
ｓｒ ｔｄ ｔ ａ ｈ ｅｇ ｔ ｆｔ ｅ ｆ ｓ ｅ ｒ ｅ ｒａ ｅ ｎ ｈ ｅ ｆ ｒｔｏ ｉｍ ｅｅ ｓｏ ｈ ｅ ｆ ｒ — ｔａ ｅ ｈ ｔｔ ｅｈ ｉｈ ｓｏ ｈ ｌ ｈ ｓａ ｅｄ ｃ ｅ ｓ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｐ ｒｏ ａｉｎ ｄａ ｔ ｒ ｆｔ ｅｐ ｒｏ ａ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｓ Ｈ ｅ ｈ ｄ ｉ ｓ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｔｎ ｒ ｃ ｓ ｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｒｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｉ ｈ ｓｒ ｃ ： Ｐ ｍ ｔ ｏ ｓ ｕ ｅ ｏ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｅ ｐ ｒｏ ａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｎ ｈ ｅ ｆ ｒ ｔ ｎ ｈ ｇ ｏ ｖ ｌ ｃｔｅ Ｓ ｓｍ ｕ ａ ｅ ． Ｔｈ ａ ｉ ｕ ｆ ｓ ｅｇ ｔ ｆ ｔ ｅ ｂ ｉ ｄ ｈ ｌｓ ａ ｅ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｅｏ ｉｉｓ ｉ ｉ ｌｔ ｄ ｅ ｍ ｘ ｍ ｍ ｌ ｈ ｈ ｉ ｈ ｓ ｏ ｈ ｌ ｏ ｅ ｒ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ｉ ｉｆ ｒ ｎ ａ ｎ ｅ ｆｕ ｅｏ ｉｉｓ ｈ ｅ ｆ ｒ ｔｏ ｉｍ ｅ ｅ ｆｔ ｅ ｂ ｉ ｄ ｈ ｌ ｓａ ｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｎ ｄ ｆ ｅ ｅ ｔｅ ｆｕ ｅ ｆ ｌ ｘ ｖ ｌ ｃｔｅ ，ｔ ｅ ｐ ｒ ｏ ａ ｉ ｎ ｄ ａ ｔ ｒｏ ｈ ｌ ｏ ｅ ｒ ａ ｃ ｌｔ ｄ ｉ ｉ ｒ ｎ ｆｌ ｘ ｖ — ｎ ｆ ｌ ｃｔｅ ｎ ｉｆ ｒ ｎ ｌ ｄ ｈ ｌ ｓ ｄ ｐ ｈ ｎ ｈ ｌ ｓ ｅｇ ｔ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｍａ ｅ ｉ ｌ ．Ｉ ｓ ｄ ｍｏ — ｏ ｉｉ ｓ ａ ｄ ｄ ｆｅ ｅ ｔｂ ｉ ｏ ｅ ｅ ｔ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｆａ ｈ ｈ ｉ ｈ ｓ ｉ ｉｆ ｒ ｎ ｔ ｒａ ｓ ｔ ｉ ｅ ｎ ｎ
基于SPH法的不同壁厚球缺型药形罩杆式射流成型数值模拟
科学技术创新基于SP H法的不同壁厚球缺型药形罩杆式射流成型数值模拟赵玉志崔瀚*(沈阳工学院能源与水利学院,辽宁抚顺113122)摘要:为了研究球缺型药型罩壁厚变化对杆式射流成型的影响,应用AUTODYN软件,采用SPH方法对不同壁厚的球缺型药型罩杆式射流形成过程进行了数值模拟研究。
通过分析仿真结果,等壁厚球缺型药型罩形成的杆式射流最为稳定,可为杆式射流的研究提供一定的借鉴。
关键词:杆式射流;数值模拟;球缺型药型罩;SPHAbstract:In order to study the influence of the change of the wall thickness of the spherical charge cover on the rod jet forming, the numerical simulation of the rod jet formation process of the spherical charge cover with different wall thickness was carried out by using AUTODYN software and SPH method.Through the analysis of the simulation results,the rod jet formed by the middle thin and thick ball shaped cover structure has the best effect,which can provide some reference for the study of rod jet.Key words:Rod jet;Numerical simulation;Spherical shaped liner;SPH中图分类号:TJ410.2文献标识码:A文章编号:2096-4390(2021)16-0018-021概述杆状射流是近几年间在聚能装药方向上的热点研究问题,它是通过采用某种药型罩的结构以及适当起爆方式,使压垮药型罩产生的聚能装药侵彻体在一定距离的飞行过程中被逐渐的拉长,但是杆式射流的断裂时间相对滞后,这种聚能装药侵彻体形式具有较高的速度和较低速度梯度,能保持较大侵彻深度且有较大的侵彻孔径[1]。
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Ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ Ｇｕｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂａｓｅｄ
ＳＰＨ Ｍｅｔｈｏｄ
ＨＵＡＮＧ Ｊｉａ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｏ，ＺＨＥＮＧ Ｙｏｎｇｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇｗｕ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ ＶｅｌＩｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，
见表２［１引。
表２
Ａ／ＧＰａ
Ｏ．７９２
式中，夕为静水压力；Ｏ＇ｅｒｆ为Ｍｉｓｅｓ应力；毒。为等效塑 性应变率校正值；≯为等效塑性应变率；ＥＰＳＯ为应 变率参考值；Ｄ，、Ｄｚ、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５为失效参数。
４０ＣｒＮｉＭｏ的参数Ａ、Ｂ、Ｃ、，ｚ、ｍ、Ｄ１、Ｄｚ、Ｄｓ、Ｄ４、Ｄ５
４０ＣｒＮｉＭｏ材料模型参数
提出了一种简单实用并能较准确地预测射孔枪穿孔
深度和开孔大小的方法。王静等［２１基于虚拟原点概
基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０８０２０１７）；国家重点基础研究发展计划（９７３）资助项目（２０１０ＣＢ８３２７０４）；国家高技术 研究发展计划（８６３）资助项目（２００９ＡＡ０４４５０１） 作者简介：黄佳，女，１９８８年生，大学本科生。
ａｒｅ
ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｉＳ ｓｉｍｕｌａｔｅ＆Ｔｈｅ ｉｎｎｘｉｍｕｍ ｆｌａｓｈ ｈｅｉｇｈｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｉｎｄ ｈｏｌｅｓ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｖｅ－
ｅｆｆｌｕｘ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｉｎｄ ｈｏｌｅｓ
ｄｅｐｔｈ．Ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ
４０ＣｒＮｉＭｏ
ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ４５ ｓｔｅｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ
ｃａｓｅ
ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｌａｓｈ
ｈｅｉｇｈｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ
ｏｆ
４０ＣｒＮｉＭｏ
ａｒｅ
ｌｏｗｅｒ．
万方数据
第３５卷第５期
黄佳，等：基于ＳＰＨ方法的射孔枪设计及射孔过程研究
・４８９・
ｅ，一［Ｄ１＋ＤｌｅｘｐＤ３ａ。］・［１＋Ｄ４ｌｎ孑］・ ［１＋Ｄ５Ｔ’］
粒子冲击过程中的接触都是通过选用ＬＳ－ＤＹＮＡ的
（１） （２） （３）
节点与面的接触确定。
ｄ－一鱼
０＂ｅｇ
３计算结果及数据分析
３．１毛刺生成
；ｋ南
径变化见表４。较低冲击速度下，随着射孔速度的 不断增加，盲孔受到的冲击压力也不断增加，冲击的
影响范围不断扩大，导致穿孔直径也随之不断增大；
盲孔深度的情况下，盲孔的穿孔直径随着射流速度
的增加有先增大而后减小，且随速度不断增大，穿孔
但当速度达到一定值以后，由于冲击速度很高，冲击
ａｒｅ ａｒｅ
ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａ－
ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｌｕｘ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ａ ｆｉｔｔｉｎｇ
ｔｏ
Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ状态方程口３求取。
固体在极限变形的情况下，其特性会如流体一 样，其中２种典型的情况是高速冲击和穿透。在高 速冲击中，系统的动能迫使和控制固体材料发生极
度变形，且材料实际上是在“流动”。在穿透问题中，
本文采用Ｊ—Ｃ材料模型中的损伤失效模型，定 义单元失效应变
物质除了产生大变形外，甚至能被破坏而变成碎片
Ｃ ０．２６
咒
图２给出了射孔弹弹型不变的情况下以 ４０ＣｒＮｉＭｏ为材料的枪筒在不同射流速度下的毛刺 生成情况和开孔情况，中央蓝色飞散粒子为失效粒
子，此时，盲孔半径为１５．８７５ ＩＴｎＴＩ，盲孔深度为９．７ ＩＩＩｌＴＩ。从图２可见，射流穿透射孔枪管壁时会在开 孔周围形成细小的毛刺。图２（ａ）显示射流速度为
为更好地体现毛刺生成的高度情况，表３中取 计算所得最大的４个毛刺高度，然后取平均值。图
３显示，毛刺高度与射流速度之间并非线性关系：随 着射流速度的不断提高，毛刺高度的减小幅度不断 减小，并最终趋于稳定。另外，射流开孔的边缘随着 射流速度的增加而趋于圆滑，这也说明提高射流速 度对于射流开孔是有益的。
所建立的模型用ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ求解计算。模 型中ＳＰＨ粒子与实体单元的连接以及射流与ＳＰＨ
密度／（ｋｇ・ｍ－３）剪切模量／ＧＰａ熔化温度／Ｋ延展率／％
同盲ｆＬ深度对于穿孔直径的影响的分析，为射孔枪 的设计提供了必要的理论依据和参考。
由其对称性，取１／４模型进行分析。为减小射 流开孔阻力，通常会在射流穿出部位开盲ｉＬ，使管壁 局部变薄，而这个部位正是射孔枪设计中特别需要 关注的部分。因此，本文编制程序，将盲孔及周围小 区域离散为ＳＰＨ粒子，其他部分使用映射网格划 分，建立如图１所示模型。
出了严格的要求，尤其是针对可重复使用的射孔枪， 要求其射孔边缘处的毛刺尽可能小。ＧＲＯＶＥ等［１］
穿孔的影响。张昭等［４］采用有限元方法模拟了射孔 枪的射孔过程，并研究了各参数对射孔过程中毛刺 生成及开孑Ｌ边缘形状的影响。陶亮等［５］利用数值模 拟分析了环空压力和射孔枪残余变形，并且对比试 验测量得到的枪身残余变形量以及环空压力的峰
１ＴＩＩＤ，。
孔枪的枪管形状参数为试验因素，计算了结构的极
限载荷和位移，并对射孔枪进行了多目标的结构参
数优化。付继成等Ｅ日采用了实验的方法测试模拟井 条件下毛刺生成高度的情况。 鉴于传统有限元方法在高速撞击下网格严重畸 变，甚至导致无法求解，不能用于分析高速射流下的
射孔过程，本文引入一种无网格的拉格朗日方
一样。具有材料强度的流体动力学的控制方程是连
述，这些粒子包含着独自的材料性质，而且按照守恒
控制方程的规律运动。ＳＰＨ最初提出时用于解决
三维开放空间的天体物理学问题［１０‘”］，现已被广泛 研究和扩展，并被应用于具有材料强度的动态响应
问题和具有大变形的流体动力学问题。
续介质力学中的守恒方程。 由质量守恒条件以及上述核近似和粒子近似规 则，得到密度的一种粒子近似法——连续密度法近 似计算密度。ＳＰＨ方法中物态方程的使用与所讨 论的介质性质密切相关，对于固体介质，可采用
式中，Ｄ为损伤参数，Ｄ＝０～Ｉ，当Ｄ＝１时对应的材 料失效；压一为在１次循环积分计算中的等效塑性
应变增量；ｅ，为定义的失效应变。
对传热与接触２类耦合问题进行分析，由于问 题的双重非线性特性，使问题研究的复杂程度大大
提高‘１３］。但由于本文算例中，接触时间仅在微秒量 级，因此，射流与射孔枪管壁之间的传热过程可忽 略，对求解不会造成明显影响。
表３射流速度对毛刺高度的影响
万方数据
・４９０・
测井技术
２０１１芷
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（ｃ）ｖ；４㈣ｌｍ
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（窖）ｖ一６ ０００ｍ＾
ｍ）ｖ＝７∞０ｍ／ｓ
圈２不同射流速度下毛刺生成殛开孔情况
３．２穿孔直径 ３．２．１射流速度对射孔枪的穿孔直径的影响 射孔弹弹型不变，同样的枪筒材料、盲７Ｌ半径、
Ｄａｌｉａｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉ锄，Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳＰＨ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ
ｔｏ
ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ
１射孑Ｌ枪模型建立
射孔枪外径１７７．８ ｌ＂ｎｎ２，内径１５２．４ ｍｍ，壁厚
１２．７
ｍｍ，材料选取４０ＣｒＮｉＭｏ，参数见表１。由于
囤ｌ射流模拟中的射孔枪模型
２
ＳＰＨ方法原理
在ＳＰＨ方法中，系统的状态用一系列粒子描
四处飞溅。ＳＰＨ方法实际上是分析这些问题最合 适的方法之一。 在具有材料强度的高速冲击问题中，冲击波沿 着碰撞体内传播，此时碰撞体的行为特性就如流体
通过模拟不同射流速度下的碰撞过程，研究不同
情况下的开孔情况．并判断开孔形貌与射流速度的 关系。
表１ ４０ＣｒＮｉＭｏ材料参数
法——ＳＰＨ方法”ｏ对射孔枪射ｉＬ过程进行模拟与 设计，可以避免传统有限元方法高速碰撞问题计算 中的计算奇异性问题。将ＳＰＨ方法应用于不同射
流速度对毛刺高度、射孔枪穿ｉＬ直径的影响以及不
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ ｇｕｎ，ＳＰＨ ｍｅｔｈｏｄ，ｆｌａｓｈ ｈｅｉｇｈｔ，ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｅｆｆｌｕｘ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，
ｓｉｍｕｌａｔｅ
０引
言
念推导了运动过程中射流径向尺寸变化规律。
Ｂｏｒｖｉｋ等［３］研究了不同形状弹丸冲击对于钢板弹道
石油射孑Ｌ枪的作业环境与性质对其整体性能提
９００
优 １．０３
ｍ／ｓ时盲孔受冲击后的形态。此时，开孔边缘
Ｂ／ＧＰａ
Ｏ．５１
毛刺有较大的高度值，失效粒子飞散程度小，４次独 立计算得到的平均最大毛刺高度值为２．５２
图２（ｂ）显示射流速度为１
１００ ｍｍ。
０．０１４
Ｄｌ
Ｏ．０５
Ｄ２
３．４４
Ｄ３ —２．１２
Ｄ４
０．００２
Ｄ５
Ｏ．６１
ｍ／ｓ时盲孔受冲击后
ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｇｉｖｅｎ
ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｅｆｆｌｕｘ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．