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切削齿破岩受力的试验研究

试验模拟了切削面积、接触弧长、切削面形状、切削齿后倾角和岩石性能对PDC切削齿破岩受力的影响。结果表明,采用接触弧长、切削面积和岩石可钻性表征切削面的几何形状和岩石性能与PDC切削齿破岩的实质相符。PDC切削齿单位切削面积上的切向力和正压力随着接触弧长、切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大,并与切削面积与接触弧长的乘积呈显著的线性关系。当后倾角小于10°时,切削齿受力较小。根据试验结果,建立了PDC切削齿破岩的受力模型。     

PDC切削齿破岩受力的试验研究

试验模拟了切削面积、接触弧长、切削面形状、切削齿后倾角和岩石性能对PDC切削齿破岩受力的影响.结果表明,采用接触弧长、切削面积和岩石可钻性表征切削面的几何形状和岩石性能与PDC切削齿破岩的实质相符.PDC;切削齿单位切削面积上的切向力和正压力随着接触弧长、切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大,并与切削面积与接触弧长的乘积呈显著的线性关系.当后倾角小于10°时,切削齿受力较小.根据试验结果,建立了PDC切削齿破岩的受力模型.     

滚齿切削厚度的计算

本文提出了滚齿时基面内切削厚度的计算方法．该方法可作为深入研究滚齿切削过程的理论基础．     

确定三维切削动态切削力系数的新方法

建立了三维切削的三维动力学模型，通过对切削过程的动态分析，给出了一种确定动态切削力系数的稳态切削参数解析新方法．该法适合于一般切削加工系统与条件，具有通用性，可以获得较完整的数据．比较现有的其他方法，表明二维切削的动态切削力系数是本方法所确定的三维切削的动态切削力系数的特例．最后给出正交切削和三维切削2个实例，并与前人的研究成果相比较，结果证明了该法的正确性．     

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.     

梯形槽切削的切削力数学模型

根据对剪切面上应力状态的不同假设，分别建立了两种不同的梯形槽切削力数学模型。模型I假设剪切面上的应力满足平衡条件，模型Ⅱ假设剪切面为最大剪应力面。以此为基础，分别推导了相应的切削力理论公式及切削方程式。同时，进一步分析了非完整切深梯形槽切削的切削力。通过大量实验表明，按模型Ⅱ推导的切削力公式及切削方程式所预测的理论值与实验值具有较好的一致性。     

圆弧形槽切削的切削力研究

本文从理论上建立了圆弧形槽切削的切削模型,在此基础上推导出圆弧形槽切削的切削力公式及切削方程式。同时,对本文提出的切削力公式进行了实验验证。结果表明,理论预测值与实验值符合得较好。     

对称V形槽切削的切削力研究

经理论分析，在适当简化的基础上，采用数学、力学方法建立了对称Ｖ形槽直角切削的切削模型。在此基础上推导出了对称Ｖ形槽直角切削的切削力理论公式及切削方程式，并对切削力公式进行了实验验证，结果表明，当刀尖角较大时，理论预测值与实验值符合较好。     

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。     

镐型截齿的截割试验研究

利用截割试验台,对不同规格的镐型截齿在不同截割硬度,不同截割参数等条件下进行了一系列的截割试验,并对测试结果人了分析研究。为合理地确定,正确地选择镐型截齿的有关参数,进一步提高截割效率和性能提供了可靠的资料。     

截齿几何参数与切割参数的匹配研究

基于刀型截齿切割破碎煤岩过程的特点,应用拉破坏理论建立了刀型截齿切割破碎煤岩的理论模型,从而推导出了刀型截齿硬质合金齿尖所必须露出齿身长度的理论表达式和切槽间距最佳值的理论表达式。这些理论推导对生产实际具有一定指导意义。     

采煤机截齿铸焊工艺的研究

用“铸焊”代替钎焊生产采煤机截齿,研究结果表明：铸焊焊缝比钎焊焊缝的抗剪强度高,可达300MPa以上,而且截齿可整体进行热处理,母材组织和性能可以得到有效的控制。     

截齿研究发展概况

对截齿的失效进行了分析,指出了截齿失效的主要形式是磨损,并对提高截齿的耐磨性和延长其使用寿命提出了具体建议。     

锥形PDC齿与常规PDC齿破岩效果对比试验

为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明：在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比无磨损PDC复合片的切削深度较小,但远大于磨损了的PDC复合片的切深,随着岩石硬度的增大,锥形齿的切削深度越接近无磨损的PDC齿;在钻进较硬的岩石(石灰岩、玄武岩)时,当钻压小于某一值时,锥形齿的切削深度小于无磨损PDC复合片,当钻压大于该值时,锥形齿的切削深度则大于无磨损PDC复合片。试验结果为复合片-锥形齿混合钻头设计提供了理论支撑。     

群钻钻削力试验及其分析

通过试验得出了群钻切削刃段钻削力的分布规律和切削用量对钻削的影响。     

切削力理论计算公式局限性的探讨

切削力理论公式的计算值往往与实测值相差较大,本文采用多元线性回归方法,通过对实验数据的统计分析,导出了变形系数ξ,摩擦角β与切削要素αp,f,V之间的函数公式,阐明了经验公式与理论公式之间差别原因,分析了理论公式的局限性。     

刀形截齿的截割试验与分析

在实验室条件下所做的截割试验,得出了在不同截割对象、不同工作参数下,刀形截齿的截割阻力及其变化规律。这对于研究刀型截齿的截割性能和正确地选择与合理地使用刀形截齿具有重要意义。     

利用切削比推算切削力

介绍在二维切削中，利用切削比推算切削力的方法。与以往的切削力理论公式相比，用该方法计算出的切削力值更接近于实测值。