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.     

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.     

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性.研究结果表明;岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据.     

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。本文针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值（L-H）线性线性相关。     

基于滚刀复合破岩物理实验的盾构刀间距设计

刀具布置是盾构刀盘设计中的重要组成部分,直接影响到掘进的切削效果、出土状况和掘进速度。针对不同地质条件下,为满足盾构地质适应性,实现高效破岩。采用盾构刀具破岩机理实验台,对工程样岩开展不同刀间距破岩实验,分析破损岩渣质量,探究不同地质条件下的最佳破岩刀间距。与经验数据进行对比,结果表明：合理的刀间距能够提高破岩效率、减少刀具损耗,有效降低刀具成本,为不同地质条件下开展其他盾构工程进行刀间距设计提供了一种可行的方法。     

钢粒冲击岩石破岩效果数值分析

为了分析钢粒冲击岩石的破岩效果,应用动力瞬态非线性有限元方法,建立球形钢粒冲击岩石的计算模型,并对其破岩过程和破岩机制进行分析.钢粒冲击岩石的理论最优粒径为0.1～0.3 cm、冲击速度为100～250 m/s、入射角为0°～20°.室内钢粒冲击岩石试验结果表明:加入钢粒后岩石的冲击破碎体积是不加钢粒的4倍多;在常规钻井机械水力联合破岩的基础上,加入钢粒会大幅度提高硬地层的钻井速度;试验验证了数值模拟的正确性.     

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.     

PDC磨损齿切削破岩过程的实验研究

为探究深部钻井PDC钻头切削齿在磨损状态下的切削破岩过程,选取深部钻井PDC钻头上不同磨损程度的PDC齿开展单齿切削实验,借助应力测试系统、高速摄影机和热红外成像仪分析磨损齿的受力状态、温度变化规律以及岩石裂纹扩展过程。结果表明,与未磨损齿相比,磨损齿所受切削力更大、温度变化更明显,且更易产生大体积岩屑,这将导致钻头在井下振动加剧,磨损急剧加快,严重影响其使用寿命;切削花岗岩时切削力和温度大幅上升的问题更加突出,但更容易发生体积破碎,产生较大块的块状岩屑。研究成果将有助于重新认识真实井底磨损齿切削破岩及温度变化规律,并为钻头设计及井下寿命评估提供重要参考。     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)刀具的结构是影响钻头性能的重要因素,锯齿形PDC刀具性能较好但研究较少,缺乏相关理论支撑。因此,基于弹塑性力学及Drucker-Prager准则构建了刀具与岩石的有限元模型,对锯齿形PDC及常规PDC刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明,锯齿形PDC通过剪切和犁碎的方式破岩,有效且明显提升了破岩效率。锯齿形PDC较常规PDC切削力均值减小约20%,波动明显更小。后倾角变大,其切削力增加,破岩比能先增加减小又增加,存在最佳后倾角10°～15°;切削深度增大,切削力变大,破岩比能先减小后增加,存在临界切深1.5～2 mm;锯齿数增加,刀具的切削力与破岩比能先增加后减小,3个锯齿为最佳。温度场研究结果表明,锯齿形PDC比常规PDC刀具散热面积大,热稳定性更好,工作参数与温度变化之间存在规律。研究深度揭示了锯齿形PDC刀具的破岩特性以及温度场,对PDC刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。     

高频谐波振动冲击破岩机制及试验分析

基于振动学理论,建立高频谐波振动冲击破岩的物理模型和数学模型,应用MATLAB软件对数学模型求解,分析各参数对简谐振动激励下岩石振动的影响,并通过室内试验进一步验证高频谐波振动冲击钻井技术的破岩效果。结果表明:在简谐振动激励下,机械钻速比常规钻井提高了13.2%;岩石刚度、阻尼、临界力与机械钻速呈反比,动态激振力与机械钻速呈正比,激励频率与岩石固有频率越接近,机械钻速越大;机械钻速随着钻压、转速的增加而增加。     

双刀头动静组合载荷破岩数值试验研究

This paper puts forward a new rock fragmentation loading method of dual-cutter head combined dynamic and static loads.By applying the numerical simulation software-RFPA2D,we have done numerical experiment about the siltstone’s crushing effect by dynamic load on single cutter head without confining pressure,dynamic load on single cutter head with confining pressure 10MPa and different dual-cutter heads spacing by combined dynamic and static loads with confining pressure 10MPa.Experimental results show that the confining pressure can obviously affect the rock fragmentation effect.Combined dynamic and static loads can greatly improve the rock fragmentation effect.There exists an optimal spacing of dual-cutter head that can make the rock fragmentation achieve the desired effect.Through analyzing the acoustic emission accumulative energy and quantity,the authors make a conclusion that the optimum spacing is 30 mm.     

岩石中侵彻与爆炸作用的破碎区速度场

为了解决空腔膨胀理论在研究介质中侵彻与爆炸破碎区过程存在的问题及分析其产生的原因,从破碎区应力与变形状态的实际出发,运用动量与质量守恒关系,推导出介质破碎区运动学的关系式,在此关系式基础上,给出侵彻、贯穿比例换算关系和爆炸破碎区的几何相似关系等简单实用结果,应用于构造特性的材料中。     

关联维在溢流阀故障诊断中的应用研究

针对液压元件溢流阀发生故障时,其振动信号具有非线性的特点,以关联维数描述信号特性,采用G-P算法分别对溢流阀阀体正常和故障时的振动信号进行计算分析.溢流阀工作正常时阀体振动信号的关联维数值较大,发生故障时关联维数值较小,且不同状态下关联维不同.研究表明,采用关联维数诊断系统故障的方法是可行有效的.     

关于G-P算法计算混沌关联维的讨论

关联维是描述混沌系统的一个重要的特征不变量,而G-P算法是目前计算关联维数的一个主要的算法,但是在使用G-P算法时,由于许多参量的选取存在很大的主观性,不同的选取会得到不同的结果,这个问题以前一直没有得到较好的解决。以具有解析结果Lorenz系统进行实例分析,指出采用G-P算法计算关联维数时,应对相关参数进行慎重和细致的选取,否则得出的结论将缺乏说服力。研究结果表明,不同的范数选取对关联维的计算影响很小、时间序列数据量大小的选取应以能够获得稳定的分数维为准则、重构相空间嵌入维数不能随意指定,但也不是越大越好,对Lorenz系统而言最大取到10较为合适。     

自回归三谱切片及其关联维数应用研究

建立了磁流变减振系统的振动测试信号的时间序列AR模型,绘制了AR三谱及其切片图,分析了不同工作频率与控制电流下系统的动力学性能变化,计算了各切片谱的关联维数.结果表明,各切片谱的复杂程度及变化规律与其关联维数存在对应关系,三谱切片及其关联维数可用于定性和量化衡量系统的动力学特性。     

改进的时间序列关联维数快速算法

针对传统关联维数的计算方法耗时量过大的问题,通过改进点对距离的度量方法,采用空间分块策略技术对重构相空间进行分块并将每个网格进行统一编号,加快了点对的搜索速度,实现了关联积分的快速计算,从而较大程度地提高了关联维数的计算速度．仿真结果表明：提出的算法可以快速有效地计算时间序列的关联维数,为工程实际应用奠定了基础．     

炸药爆轰性能变化对破岩效果影响的实验研究

在耦合装药条件下 ,通过两组对比爆破破碎实验 ,研究了炸药爆轰性能变化对破岩效果的影响。第一组实验 ,采用相同的冲击能 (Es)与膨胀能 (Eb)比值的柱状药包 ,爆破破碎不同波阻抗的混凝土介质 ;第二组实验 ,采用不同的冲击能 (Es)与膨胀能 (Eb)比值的柱状药包 ,分别爆破破碎相同的混凝土介质。实验结果表明 ,随着炮孔孔壁上产生的透射应力波峰值 (Pt)的增大 ,第一组实验的小尺寸破碎块度的产出量 (MSF)随之上升 ,而第二组实验的MSF随之下降。分析结果表明 ,药包爆轰性能的改变 ,使得Es 和Eb的加载水平发生相应的变化 ,进而影响到MSF的变化趋势。MSF取决于Es 和Eb 加载的共同作用结果。这表明除Es 冲击加载外 ,Eb 动态加载在爆破破岩过程中起了积极作用。     

聚类分析在油源对比研究中的应用

利用烃源岩、原油(包括油砂)的生物标记化合物的聚类分析研究原油(包括油砂)碳同位素,结果表明,三塘湖盆地的原油可以分成3类,第一类原油包括马朗凹陷的绝大部分和侏罗系的一部分,与中二叠统烃源岩有关;第二类原油主要分布于条湖凹陷,部分位于马朗凹陷,与下二叠统和石炭系烃源岩有关;第三类原油主要为油砂,相关性较差,可能受到了较强生物降解作用的影响.塘参1井侏罗系原油可能来源于下二叠统或石炭系.     

裂隙砂岩破坏过程中的能量耗散与破碎分形特征研究

对不同裂隙倾角的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,分析了试件变形破裂过程中的应变能演化特征,基于分形理论定量描述了最终破坏后碎屑尺度分布的分形特征,初步探究了能量耗散与破碎分形维数之间的力学机制。研究结果表明：随着裂隙倾角增加,裂隙砂岩试件的抗压强度和耗散应变能均呈现出先减小后增大的变化规律;数据拟合结果表明两者之间存在正相关关系。试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,不同裂隙倾角试件的分形维数介于2.58～2.64;分形维数随裂隙倾角的变化规律与抗压强度类似,两者近似呈线性相关关系。此外,试件的抗压强度越高,破坏时释放的耗散应变能越多,试件破碎程度越严重,所产生的微、细粒碎屑占比增大,导致分形维数变大;数据拟合结果表明耗散应变能和分形维数之间具有线性正相关关系。