復(fù)合射孔槍身動(dòng)態(tài)壓力測試與分析

復(fù)合射孔槍身動(dòng)態(tài)壓力測試與分析

0復(fù)合射孔器相關(guān)環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)特性的設(shè)計(jì)復(fù)合射孔是射孔與高速氣體之間的關(guān)系所影響的復(fù)合動(dòng)態(tài)過程。結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在該層的最終應(yīng)用效果取決于波孔的爆炸和爆炸效果（同時(shí)工作），以及在井筒環(huán)中產(chǎn)生的炸藥爆炸氣體的動(dòng)態(tài)壓力過程以及p-t形式（二次工作）。而二次做功是對(duì)地層產(chǎn)生微裂縫并使裂縫擴(kuò)展的主要能量來源,具體表現(xiàn)在環(huán)空壓力的上升速率、峰值壓力和有效壓力作用時(shí)間等3個(gè)方面。影響環(huán)空壓力過程和p-t形態(tài)的因素較多,除復(fù)雜的井筒環(huán)境對(duì)環(huán)空壓力的影響外,在復(fù)合射孔器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,槍身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、射孔彈型、火藥配方及裝藥量設(shè)計(jì)等都會(huì)對(duì)環(huán)空壓力產(chǎn)生影響。在通常的設(shè)計(jì)中,為了提高二次做功效果,往往追求在槍身安全有保證的前提下火藥裝藥量的最大化,槍身泄壓孔的設(shè)計(jì)也是基于增加槍內(nèi)火藥裝藥量而考慮的,但并沒有充分考慮泄壓孔對(duì)環(huán)空壓力作用過程的影響。實(shí)際上,增加火藥裝藥量是提高復(fù)合射孔做功能力的基本條件或必要條件(初始載荷),而泄壓孔和射孔孔眼則起到控制和調(diào)節(jié)槍內(nèi)載荷向井筒環(huán)空釋放的程度。因此,泄壓孔的設(shè)計(jì)直接影響到環(huán)空壓力過程和p-t形態(tài),對(duì)壓力上升速率、峰值壓力和有效壓力作用時(shí)間都會(huì)產(chǎn)生很大影響。適當(dāng)?shù)难b藥量和合理的泄壓孔設(shè)計(jì)不僅可以保證槍身的安全性,而且可以獲得比較理想的環(huán)空壓力形態(tài),達(dá)到能量充分利用和作用效果最佳化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。關(guān)于井筒環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力過程與地層巖石破裂壓力之間的相互關(guān)系將在以后的研究中進(jìn)行深入探討。本文采用實(shí)驗(yàn)室模擬套管實(shí)驗(yàn)裝置和動(dòng)態(tài)壓力測試技術(shù)的試驗(yàn)方法,對(duì)復(fù)合射孔器槍身泄壓孔和火藥裝藥量分別進(jìn)行系列單發(fā)射孔單元的爆炸實(shí)驗(yàn),同時(shí)對(duì)模擬套管環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果揭示了槍身泄壓孔與裝藥量對(duì)環(huán)空壓力過程的影響規(guī)律,進(jìn)一步深化了對(duì)復(fù)合射孔技術(shù)的認(rèn)識(shí),為槍身結(jié)構(gòu)、裝藥量、安全性及個(gè)性化設(shè)計(jì)等方面提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。1研究方法和計(jì)劃1.1井下p-t測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用在復(fù)合射孔基礎(chǔ)研究中,由于機(jī)理的不成熟性和復(fù)雜邊界條件的限制,理論分析和計(jì)算模型往往采用很多的邊界條件假設(shè)和簡化模型,計(jì)算和分析結(jié)果常被人們質(zhì)疑。井下p-t測試儀的應(yīng)用雖然在一定程度上反映了井筒環(huán)空壓力的變化過程,但是,由于條件的限制,要獲得在同一井筒條件下的測試數(shù)據(jù)相當(dāng)困難。再則,對(duì)于本文所涉及的研究內(nèi)容,采用井下p-t測試的方法也是不現(xiàn)實(shí)的。為了便于研究的開展,利用實(shí)驗(yàn)室模擬套管試驗(yàn)裝置和動(dòng)態(tài)壓力測試技術(shù)的試驗(yàn)方法,在限制套管及環(huán)空初始邊界條件下進(jìn)行了系列單發(fā)復(fù)合射孔單元的爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)和p-t測試結(jié)果表現(xiàn)了較好的一致性和規(guī)律性。1.2測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置主要由單發(fā)射孔單元槍體和模擬套管實(shí)驗(yàn)裝置總成構(gòu)成。為確保試驗(yàn)條件的一致性,裝置采用完全密封閉氣結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。測試系統(tǒng)采用先進(jìn)的模塊化高速采集系統(tǒng)。每通道采樣頻率設(shè)置為40MHz,分辨率12bit,采樣時(shí)間≥25ms。傳感器采用大量程、高頻響爆炸壓力傳感器。1.3方案參數(shù)測試槍身泄壓孔變徑實(shí)驗(yàn)方案采用89型和102型2種復(fù)合射孔槍型;火藥裝藥量實(shí)驗(yàn)方案采用102型1種槍型,標(biāo)準(zhǔn)泄壓孔。3種方案設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2和表3。除對(duì)環(huán)空壓力p-t測試外,還對(duì)實(shí)驗(yàn)后的槍身最大變形量進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)裝置采用512in?512in*模擬套管實(shí)驗(yàn)裝置。1.4建立易判讀和分析曲線數(shù)據(jù)處理程序采用美國SignalView專用數(shù)據(jù)采集與分析軟件,對(duì)測試數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)算、判讀和處理。處理分3步,①將3次相同條件下采集到的p-t曲線數(shù)據(jù)對(duì)同一時(shí)點(diǎn)的3個(gè)壓力值沿時(shí)間變量逐點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均,得到1條原始有效曲線(見圖2);②將有效原始曲線相臨2個(gè)點(diǎn)的壓力值用最小二乘法運(yùn)算得到易于判讀和分析的平滑曲線(見圖3);③將不同條件下的原始有效曲線重疊比較。2測試結(jié)果2.1最大壓力轉(zhuǎn)變傳播參數(shù)槍身泄壓孔徑d:槍身有效泄壓孔徑,mm;火藥裝藥量q:孔密16/m射孔槍1個(gè)射孔單元的火藥裝藥量,g;峰值壓力pmax:火藥爆燃?xì)怏w在環(huán)空形成的最高壓力峰值,MPa;火藥升壓時(shí)間Δt:點(diǎn)火起始點(diǎn)至峰值壓力的時(shí)間,ms;壓力衰減梯度k:指從壓力峰值至6ms時(shí)的壓力衰減梯度,MPa/ms;有效壓力作用時(shí)間tp30:本文定義30MPa以上為有效作用壓力,ms;槍身變形量δ:3次實(shí)驗(yàn)槍身最大變形量測量結(jié)果之平均值,mm。2.2測試結(jié)果3種實(shí)驗(yàn)方案實(shí)測的環(huán)空壓力p-t分析曲線見圖4、圖5、圖6。3種實(shí)驗(yàn)方案槍身變形量測量結(jié)果見表4。3結(jié)果分析3.1殼體泄露孔對(duì)環(huán)境空氣壓力的影響通過對(duì)圖4和圖5各環(huán)空p-t曲線的火藥峰值壓力、壓力上升時(shí)間、壓力衰減速率和有效壓力作用時(shí)間進(jìn)行解讀比較,得出以下分析結(jié)果。3.1.1孔徑對(duì)開孔時(shí)下強(qiáng)度的影響圖7離散點(diǎn)分析圖顯示了泄壓孔徑的變化對(duì)環(huán)空壓力的影響規(guī)律。從圖7中可以看出,當(dāng)泄壓孔徑由小變大時(shí),峰值壓力隨之增大。在孔徑0～12mm內(nèi),峰值壓力增幅較為緩慢,而在孔徑12mm以上時(shí),隨著孔徑的增加,峰值壓力增幅遞增顯著。經(jīng)分析,在無泄壓孔時(shí),槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物僅通過射孔孔眼釋放到環(huán)空,使環(huán)空壓力遞增緩慢。根據(jù)爆燃?xì)怏w理論,隨著時(shí)間的延長,能量也會(huì)因內(nèi)耗而降低,所以給環(huán)空壓力的貢獻(xiàn)也隨之減少。隨著泄壓孔面積的增加,加快了槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物能量向環(huán)空釋放的速度,在很短時(shí)間內(nèi)使環(huán)空壓力達(dá)到最高,槍內(nèi)爆燃?xì)怏w產(chǎn)物能量因快速釋放而內(nèi)耗減少。3.1.2壓孔徑的影響圖8顯示了泄壓孔徑的變化對(duì)環(huán)空壓力上升時(shí)間的影響規(guī)律。從圖8中可以看出,泄壓孔徑由小變大時(shí),環(huán)空壓力到達(dá)峰值的時(shí)間由長變短。經(jīng)分析,小泄壓孔時(shí),槍內(nèi)爆燃?xì)怏w通過小孔釋放到環(huán)空,在環(huán)空建立起高壓需要一定的時(shí)間,而隨著泄壓孔面積的增大,加快了槍內(nèi)爆燃?xì)怏w向環(huán)空的釋放速度,在環(huán)空建立起高壓的時(shí)間就會(huì)越短。3.1.3壓力衰減梯度圖9顯示了泄壓孔徑對(duì)環(huán)空壓力衰減速率的影響規(guī)律。從圖9中看出,當(dāng)泄壓孔徑由小變大時(shí),從環(huán)空壓力峰值點(diǎn)開始,壓力衰減梯度明顯增加。經(jīng)分析,按照能量守恒定律,槍內(nèi)壓力向環(huán)空釋放過程實(shí)際上是能量的一種轉(zhuǎn)移過程,當(dāng)泄壓孔面積增大時(shí),能量的轉(zhuǎn)移速度加快,槍內(nèi)能量隨之遞減速度加快,造成環(huán)空壓力到達(dá)峰值后壓力遞減速度也會(huì)加快。3.1.4爆燃?xì)怏w能量隨時(shí)間的變化可本文定義了30MPa以上為有效作用壓力。從圖4的p-t曲線數(shù)據(jù)解讀和分析可以看出,泄壓孔孔徑為0、8、12mm時(shí),壓力峰值均未超過30MPa,峰值隨泄壓孔徑的變大而上升,壓力持續(xù)時(shí)間長且衰減緩慢。泄壓孔徑為16、20、24mm時(shí),壓力峰值有明顯提高,均超過30MPa,且孔徑越大,峰值壓力越高,有效壓力作用時(shí)間也越長。從爆燃機(jī)理分析,槍內(nèi)爆燃?xì)怏w能量在釋放過程中,能量隨著時(shí)間的變化存在著損失。其一,槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物氣體在爆炸瞬間具有極高的溫度,瞬間壓力也達(dá)到最高,隨著溫度的迅速下降,壓力也會(huì)迅速下降,存在由于溫度降低而產(chǎn)生的壓力損失,氣體向環(huán)空釋放的速度越慢,壓力損失就會(huì)越大。其二,爆燃?xì)怏w對(duì)槍身的沖擊變形造成能量損失,該損失也隨氣體釋放速度的變化而變化,當(dāng)氣體向環(huán)空釋放的速度越慢,槍內(nèi)壓峰值就越高,槍身變形量越大,能量損失就會(huì)越大。其三,爆燃?xì)怏w通過泄壓孔向環(huán)空釋放時(shí),存在著孔邊摩擦阻力,孔徑越小,氣體的流速就越高,阻力就越大,壓力損失也會(huì)越大。高的釋放速度和槍身的低變形能提高能量的有效利用率。所以,在槍身結(jié)構(gòu)和泄壓孔設(shè)計(jì)時(shí),存在著爆燃?xì)怏w能量的充分利用和作用效果最佳化的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。3.2步槍中藥物的用量對(duì)環(huán)孔壓力的影響通過對(duì)圖6各環(huán)空p-t曲線的火藥峰值壓力、壓力上升時(shí)間、壓力衰減速率和有效壓力作用時(shí)間進(jìn)行解讀比較,得出以下分析結(jié)果。3.2.1礦渣環(huán)空峰值壓力圖10離散分析圖顯示了在標(biāo)準(zhǔn)泄壓孔下火藥裝藥量對(duì)環(huán)空峰值壓力的影響規(guī)律。從離散點(diǎn)分布看出,隨著火藥量增加,環(huán)空峰值壓力呈線性上升趨勢。說明爆燃?xì)怏w能量隨裝藥量的增加而呈線性增加。3.2.2炮內(nèi)爆燃?xì)怏w能量圖11顯示了在標(biāo)準(zhǔn)泄壓孔下火藥裝藥量對(duì)環(huán)空壓力上升時(shí)間的影響。隨著火藥量的增加,槍內(nèi)爆燃?xì)怏w能量也在增加。能量的增加勢必造成槍內(nèi)壓力升高,增大了環(huán)空與槍內(nèi)的壓力差,使通過泄壓孔向環(huán)空釋放的爆燃?xì)怏w產(chǎn)物流速加快,環(huán)空壓力上升時(shí)間就會(huì)變短。3.2.3最佳作用時(shí)間無下降或數(shù)值試驗(yàn)圖12為火藥裝藥量對(duì)環(huán)空壓力有效作用時(shí)間分析圖。本文定義30MPa以上為有效作用壓力。從圖12可以看出,火藥裝藥量與環(huán)空壓力有效作用時(shí)間也呈線性增加趨勢?；鹚幜吭黾邮弓h(huán)空峰值壓力增高。對(duì)于有效作用時(shí)間,峰值壓力變化的影響大于壓力率減速度的影響。峰值越高,有效作用時(shí)間相對(duì)較長。3.2.4裝藥量與環(huán)空壓力衰減速率圖13顯示了火藥裝藥量對(duì)環(huán)空壓力衰減速率的影響。從圖13中看出,裝藥量與環(huán)空壓力衰減速率呈線性增加趨勢。裝藥量越大,環(huán)空壓力峰值就越高,峰值與初始狀態(tài)的壓力差就越大,壓力衰減速率就越快。3.3密封孔和注射器的使用影響了射擊的安全通過對(duì)表4各方案的槍身變形量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得出以下分析結(jié)果。3.3.1無泄壓孔或孔徑圖14揭示了相同裝藥量情況下泄壓孔徑對(duì)槍身變形量的影響規(guī)律。圖14中離散點(diǎn)分析表明,無泄壓孔或泄壓孔開的過大,都會(huì)造成槍身的變形量的增加,從離散點(diǎn)分布曲線上可以找到最小變形量的泄壓孔孔徑。經(jīng)分析,當(dāng)無泄壓孔或孔徑太小時(shí),槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物氣體釋放速度較慢,槍內(nèi)壓急劇升高導(dǎo)致槍身的大變形;當(dāng)泄壓孔開孔太大則降低了槍身本身的強(qiáng)度,也會(huì)導(dǎo)致槍身的大變形。合理的泄壓孔設(shè)計(jì)可以控制爆燃?xì)怏w產(chǎn)物的釋放速度,不僅能保證槍身設(shè)計(jì)的安全性,而且可以實(shí)現(xiàn)槍內(nèi)爆燃過程與爆燃?xì)怏w產(chǎn)物向環(huán)空釋放過程的匹配,有效控制槍內(nèi)壓的急劇升高,達(dá)到槍身安全情況下最佳的作用效果。3.3.2槍身變形量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗內(nèi)壓能力圖15揭示了標(biāo)準(zhǔn)泄壓孔情況下裝藥量對(duì)槍身變形量的影響規(guī)律。圖15中離散點(diǎn)分布曲線表明了槍身變形量隨裝藥量增加呈指數(shù)上升趨勢。對(duì)于一定的槍身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,槍內(nèi)載荷的增加會(huì)大幅度降低槍身的抗內(nèi)壓能力。特別是當(dāng)槍身達(dá)到塑性變形極限時(shí),藥量的增加會(huì)加劇對(duì)槍身的破壞作用。4相關(guān)值的模擬分析結(jié)果4.1槍數(shù)值模擬計(jì)算利用在ANSYS/LS-DYNA有限元分析的基礎(chǔ)上開發(fā)的復(fù)合射孔槍數(shù)值模擬分析軟件,對(duì)102型槍身泄壓孔徑0、14、18mm以及槍內(nèi)載荷為1200/120MPa分別進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明與實(shí)驗(yàn)分析具有一致的結(jié)論。測量點(diǎn)的環(huán)空輸出壓力曲線見圖16。4.2模型試驗(yàn)結(jié)果利用在ANSYS/LS-DYNA有限元分析的基礎(chǔ)上開發(fā)的復(fù)合射孔槍數(shù)值模擬分析軟件,對(duì)102型槍標(biāo)準(zhǔn)泄壓孔下,槍內(nèi)載荷為1200/60MPa、