关联维数在动静耦合破岩中的应用研究

根据动静耦合加载切削破碎花岗岩试件的切削力信号,应用功率谱分析方法揭示了动静耦合切削破岩过程是混沌运动.在此基础上,采用关联维数定量表征了切削破岩反映出的信号特征.通过对动静耦合破岩分形特征的分析,得到了关联维数与动静耦合加载的关系,探讨了静压力与冲击能的组合对关联维数的影响.在不同动静耦合破岩过程中,关联维数与破岩比能的变化曲线极其相似.试验结果和理论分析表明:动静耦合破岩存在一个合理的静压力和冲击能的组合,可使破岩比能最小.关联维数可作为破岩比能改变的一个灵敏量,能简单、直观地辨识动静耦合参数在破岩中发挥作用的程度.为选取动静载荷的合理匹配值,有效提高破岩效果,提供了一种新的方法.     

单齿复合冲击切削破岩机制及其与扭转冲击的对比

复合冲击钻井技术是继扭转冲击钻井技术之后发展起来的新的针对硬地层的提速技术,但其破岩提速机制及其相对于扭转冲击技术的区别还不够清晰,使在实际钻井中对于这两种钻井技术的选择没有依据。针对此问题,在室内试验的基础上基于有限元方法建立单齿复合冲击切削岩石(硬岩和软岩)的拟三维数值仿真模型,研究复合冲击作用下钻齿切削岩石过程中岩屑形成及破岩比功等,并与扭转冲击切削做相应对比分析。结果表明:针对硬岩(雅安花岗岩),当切削深度较小(小于0.6 mm)时,复合冲击切削破岩效率最高;当切削深度适中(0.6～1.2 mm)时,扭转冲击切削破岩效率最高;当切削深度较大(大于1.2 mm)时,扭转冲击和复合冲击相对于常规切削破岩几乎没有提速效果;在软地层(南充砂岩)中复合冲击和扭转冲击切削几乎没有提速效果。     

静载与冲击加载方式下滚刀破岩特性

为了研究在单一恒定静载荷和冲击动载荷这2种情况下盘形滚刀破岩机制,使用颗粒离散元法建立滚刀破岩的二维数值模型。通过控制破岩的垂直载荷,对滚刀破岩动态过程进行分析并研究静载荷、冲击动载荷和冲击次数对滚刀破岩特性的影响,最后通过实验对静载荷下滚刀破岩情形进行验证。研究结果表明:在单一恒定静载荷下,滚刀破岩效果随着静载荷增大而提高;当静载荷达到一定值后,破岩效果提升不明显,存在1个最佳静载荷使破岩效果最优;在冲击动载荷作用下,岩石裂纹扩展情况与静载荷的扩展情况相似,但岩石内部以剪切破坏为主;随着循环冲击动载荷以及施加次数增大,岩石内部产生的裂纹数增大并且有向水平贯穿的趋势,破岩比能耗先减少后变化不大;滚刀在动静载荷作用下比能耗的变化趋势基本一致,冲击动载荷破岩的比能耗比静载荷作用下的比能耗高,大约是静载荷破岩比能耗的1.4倍。     

不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

基于ABAQUS的PDC钻头切削齿破岩仿真及热分析

目的研究聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿破岩过程中的温升及变形情况,确定在不同切削参数下PDC钻头单齿破岩时温升和变形的变化规律.方法利用非线性有限元仿真软件,建立了二维PDC钻头切削齿-岩石动态仿真模型,通过改变钻头切削齿破岩时的切削参数,得到了不同参数条件下切削齿温度和变形的变化规律,对切削齿破岩过程中的温升及热变形进行分析.结果切削温度在初始阶段上升较快,0. 02 s左右趋于平稳,同时切削深度对温度的影响最大;温度的升高以及切削力的变大,会使切削齿的变形增大.结论在PDC钻头单齿破岩的过程中,PDC切削齿的温度变化与其切削深度、切削速度以及齿前角密切相关.切削深度对其温度的影响较为明显.与所受的切削力相比温度对切削齿的变形影响较为明显.     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

粒子冲击及其辅助钻齿破岩规律研究

粒子冲击钻井是一种新型高效的钻井技术,结合冲击技术和机械破岩,实现了钻头在研磨性硬地层的高效钻进。当前粒子冲击辅助破岩的机理还不够明确,为优化粒子冲击钻井参数,提高钻井效率,基于离散元颗粒流方法,建立了具有微观聚团特性的黑砂岩数值模型。在考虑黑砂岩的矿物组分及占比情况下,研究了粒子在不同粒径、入射角度、入射速度条件下的单粒子冲击、多粒子冲击及辅助切削破岩规律。研究表明:1)粒子冲击辅助切削破岩相比传统切削破岩效率更高,粒子粒径在1.5和3.0 mm时,破岩比功会呈现急剧降低的现象,粒径在1.5～2.5 mm破岩比功变化不大;2)粒子粒径、入射角度和入射速度对辅助破岩有重要影响,为提高辅助破岩效率,建议使用粒径为3.0 mm的粒子和0°～25°的入射角度,同时加大入射速度。研究表明,粒子冲击钻井技术是提高研磨性硬地层高效钻进的有效手段,研究结果能为该技术的发展提供一定的指导意义。     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

PDC切削齿破岩效率数值模拟研究

PDC钻头是油田钻井的主要破岩工具,合理布齿设计是提高其性能的主要手段.基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,建立了PDC切削齿动态破岩的三维仿真模型,分析了后倾角、侧倾角、切削深度、围压等因素对破岩能效的影响.结果表明,随侧倾角增大,破碎比功逐渐增大,小于25°时,破碎比功增加量很小,大于25°时,破碎比功大幅增加;随后倾角增大,破岩比功增大,其变化率基本不受切削深度和围压的影响;切削深度过大或过小,破碎比功均较大,切深存在最优值;随围压的增大,破碎比功增大,在较低围压范围内,破碎比功增加量最为显著.研究结果有助于深化对PDC切削齿破岩的认识,为PDC钻头的设计和定制钻进措施提供重要参考.     

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明：高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀...     

盘形滚刀破岩力影响因素试验研究

采用试验方法研究了盘形滚刀破岩时掘进参数贯入度、切削速度和刀间距的选择对破岩性能的影响.结果表明:贯入度、切削速度的增加,破岩力成比例增大;得到最优贯入度为76mm和最优切削速度6m/h,进而确定刀盘转速和最外径线速度,推算TBM总推力和总转矩.分析盘形滚刀切割岩石时的挤压、剪切破坏过程,前方破碎区由于挤压破坏形成粉盒区;两侧的岩石受到滚刀浸入的挤压作用,发生弹性变形,逐渐达到岩石的剪切强度极限,裂纹贯通碎裂.     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

新型多功能岩石破碎试验装置

设计了一种运用冲击动栽与静压组合切削破碎岩石的新型试验装置,分析了该装置的破岩力学参数.该装置具有多种功能,既可进行单一静压切削、冲击破碎和静力侵入岩石的试验,又可进行动、静组合加栽的切削试验,以及单一刀头、多刀头或滚压试验.对平端式PDC、硬质合金刀具在不同载荷施加方式下的花岗岩、砂浆块进行多种破碎试验,结果表明:该试验装置可操作性强,工作参数可控,所得试验数据可靠.     

含砾岩样中切削齿冲击载荷变化规律试验

通过直径为19 mm的单齿切削含砾岩样试验,研究砾石直径、胶结强度、切削深度、切削齿后倾角等对切削齿所受冲击载荷的影响规律,分析PDC钻头钻进砾石层的损坏机制。结果表明:切削齿受到的冲击力随着砾石层胶结强度、砾石直径的增加而增大,随切削齿切削深度的增加呈指数增加;相同切削面积下,切削齿受到的冲击力随着后倾角的增大而增大;当冲击载荷大于切削齿的极限冲击强度时,切削齿将直接产生碎裂;即使冲击载荷不能达到切削齿的极限冲击强度,周而复始的冲击载荷达到切削齿的冲击韧性时,切削齿将发生冲击疲劳损坏。     

强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明：1）层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s-1时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;2）当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时AC复合岩样（强度比为1.5）分形维数最大;3）类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。     

加载速率对砂岩破碎及能耗特征的影响

为了研究应力波加载速率对岩石破碎与能量利用效率的影响,利用杆件纵向撞击面局部变形的非线性模型设计了5种不同曲率半径的锤头,获得了非等入射能与等入射能条件下不同加载速率的入射应力波,并对红砂岩进行了冲击试验.结果表明:随着应力波加载速率的增大,砂岩试样破碎块度的分形维数呈近似线性增长关系.在加载速率相同的情况下,砂岩试样破碎块度的分形维数随入射能的增大而增大.随着入射应力波加载速率的增加,破碎能耗密度增大.在加载速率相同的情况下,入射能越大岩石破碎能耗密度越大.在非等入射能条件下,岩石破碎过程中的能量利用率随着入射能的增大呈明显的下降趋势.实际生产中最优的应力波形必须综合考虑破岩效果和能量利用率等因素.     

盘形滚刀破岩力影响因素研究

盘形滚刀破岩力是决定滚刀使用性能的关键因素,论文采用有限元软件LS-DYNA模拟盘形滚刀破碎岩石过程,研究盘形滚刀结构参数与工作参数等对破岩力的影响特性,并在100T盾构刀具回转切削性能测试实验台上进行实验,通过仿真及实验研究表明:贯入度与切削速度对盘形滚刀破岩力的影响十分显著,而刀刃宽度影响最小,对比转速为3.6r/min与转速为1.0r/min时滚刀切削力,其中垂直力增大了29.2%、侧向力增大了51.3%、滚动力增大了21.9%.     

SPH法数值仿真三维切削破岩和切削力估算

以Mohr-Coulomb模型描述岩石,在LS-DYNA中用SPH(Smootheed Particle Hydrodynamics)法模拟三维刀齿切削破岩,探讨切削参数和岩石性质对切削力的影响.基于切削力随各切削参数和岩石性质的变化规律,建立切削力估算公式.用所得公式计算切削力,并与实验值进行比较.仿真结果表明:切削厚度、切削前角、切削宽度、岩石的内聚力和内摩擦角对切削力影响显著,切削速度在较低范围内变化时对切削力影响非常小.三维切削仿真能够较好地反映刀齿两侧岩石颗粒对切削的影响,比二维理论模型更接近实际.所得切削力估算公式能准确计算仿真中的平均切向力,且其计算值能与实验吻合较好.验证了基于SPH法的数值仿真用于研究刀齿切削破岩的可靠性.