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石油聚能射孔的数值模拟与弹壳设计

作　者: 金玮玮
导　师: 张洪武；张昭
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 油井射孔射孔枪聚能射流药型罩锥角 ALE方法侵彻
分类号: TE257.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

石油聚能射孔是指射孔弹利用聚能效应,形成射流并侵彻油层,因为其具有施工快速、技术成熟、价格低廉、作业高效等特点,在石油开采中占据主要地位。本文简要地介绍了聚能效应、聚能装药技术以及石油射孔枪等相关内容的研究现状,并分析了聚能射流的形成机理和射流撞击靶板的侵彻过程。本文采用有限元方法并运用自适应网格技术模拟了射孔枪射流的形成过程,基于这一工作,进一步模拟了射孔弹弹壳撞击射孔枪管壁的过程,对比了在不同情况下,在弹壳外壁上增加不同的附加金属层对射孔枪管壁鼓包高度的影响。研究发现增加一层软金属可以有效地减少鼓包的高度,并且软金属的屈服极限对其高度有很大的影响,屈服越大的材料,在相同的应变率下,吸收的能量相对较多,鼓包高度会相应越低,加7075铝合金的射孔弹壳撞击枪壁,较未加软金属的情况可以减少52.1%的鼓包高度。在应变率相近的情况下,材料的屈服极限与鼓包的高度存在近似的线性关系。本文还采用ALE方法对射孔枪射流形成的过程及聚能射流对混凝土靶板的侵彻进行了数值模拟,对比了锥形药型罩的不同锥角对聚能射流形成和侵彻的影响。研究结果表明药型罩的锥角大小对聚能射流的速度和形状、射流头部和杵体的质量、侵彻的宽度和深度有着显著的影响。小锥角射流头部比重较小且杵体速度未达到侵彻临界值而无法起到很好的侵彻效果,大锥角在侵彻过程中可形成大口径的孔洞,但侵彻的深度不够,中锥角在侵彻孔径方面虽不及大锥角,但其侵彻的深度却相对较高。本文的研究工作将为可重复使用的石油射孔枪的优化设计以及不同工况下聚能射孔弹的设计提供一定的理论依据与参考。本论工作得到了国家自然科学基金项目(10802017)和国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB832704)的资助。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 研究的目的及意义  9-10
  1.2 聚能装药技术及石油聚能射孔器简介  10-12
  1.3 聚能装药与石油聚能射孔技术的研究现状  12-16
    1.3.1 聚能射流的研究现状  12-14
    1.3.2 药型罩的研究现状  14-15
    1.3.3 石油射孔枪的研究现状  15-16
  1.4 本文的主要工作及研究内容  16-18
2 聚能射孔的作用机理及相关有限元方法  18-33
  2.1 聚能射孔弹射流的形成与侵彻过程及特征  18-19
  2.2 聚能射流形成理论  19-24
    2.2.1 Gurney速度近似求解法  19-20
    2.2.2 定常理想不可压缩流体力学理论  20-22
    2.2.3 准定常理想不可压缩流体力学理论  22-24
    2.2.4 粘-塑性射流形成理论  24
  2.3 聚能射流破甲理论  24-27
    2.3.1 定常理想不可压缩流体侵彻理论  24-25
    2.3.2 准定常理想不可压缩流体侵彻理论  25-27
    2.3.3 考虑靶板强度的准定常侵彻理论  27
  2.4 动力学问题  27-30
    2.4.1 动力学有限元求解步骤  27-29
    2.4.2 中心差分法  29-30
  2.5 ALE算法理论  30-33
3 射孔枪的射流形成模拟与弹壳的优化设计  33-45
  3.1 射孔枪射流形成的数值模拟  33-38
    3.1.1 有限元模型及材料参数  33-35
    3.1.2 数值模拟结果与分析  35-38
  3.2 射孔枪弹壳优化设计  38-44
    3.2.1 有限元模型及材料参数  38-39
    3.2.2 数值模拟结果及分析  39-44
  3.3 本章小结  44-45
4 药型罩锥角对射孔枪射流冲击过程的影响  45-54
  4.1 药型罩锥角对射流的影响  45-49
    4.1.1 有限元模型及材料参数  45-47
    4.1.2 数值模拟结果及分析  47-49
  4.2 药型罩锥角对侵彻的影响  49-53
    4.2.1 有限元模型及材料参数  49-50
    4.2.2 数值模拟结果及分析  50-53
  4.3 本章小结  53-54
结论  54-56
参考文献  56-60
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  60-61
致谢  61-63

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