基于ANSYSWorkbench的螺旋鉆頭截齒破巖仿真分析

呂建華，唐喚清

(1. 湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,株洲 412007; 2.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101)

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基于ANSYSWorkbench的螺旋鉆頭截齒破巖仿真分析

呂建華1，唐喚清2

(1. 湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,株洲 412007; 2.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101)

基于對螺旋鉆頭的結(jié)構(gòu)分析，建立了短螺旋鉆頭截齒的力學(xué)模型，以ANSYSWorkbench為平臺(tái)，對螺旋鉆頭截齒破巖的過程進(jìn)行了模擬仿真，通過巖石的等效應(yīng)力云圖，推導(dǎo)出了在一定的扭矩和軸向力時(shí)，所能允許鉆進(jìn)的巖石情況.

ANSYSWorkbench;截齒;仿真

0　引　言

短螺旋鉆頭因其結(jié)構(gòu)簡單、入巖能力較強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用，特別是在硬質(zhì)地層鉆進(jìn)中的應(yīng)用.由于設(shè)計(jì)的不合理或使用不當(dāng)，短螺旋鉆頭在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)葉片變形甚至撕裂的情況，因此容易導(dǎo)致孔內(nèi)的安全事故，給施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.針對這種情況，對短螺旋鉆頭在鉆進(jìn)過程中受力狀況的力學(xué)仿真分析對優(yōu)化改進(jìn)短螺旋鉆頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的使用壽命和性能具有重要的意義.本文通過Pro/E建模并利用ANSYS進(jìn)行有限元仿真分析.

1　短螺旋鉆頭的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)鉆進(jìn)地層條件的不同，使用的短螺旋鉆頭的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，最常見的短螺旋鉆頭從結(jié)構(gòu)形式上可以分為平頭短螺旋鉆頭和錐頭短螺旋鉆頭.其結(jié)構(gòu)主要由法蘭、心軸管、主螺旋葉片(導(dǎo)向葉片)和引導(dǎo)螺旋葉片組成，如圖1所示.錐頭螺旋鉆頭又分為雙錐雙螺短螺旋鉆頭、雙錐單螺短螺旋鉆頭、單錐單螺短螺旋鉆頭.

短螺旋鉆頭的主要參數(shù)有螺距、螺旋線長度、短螺旋鉆頭錐角、切削具布齒間距、切削具布齒到徑的螺旋線回轉(zhuǎn)角度、鉆齒的布齒角度及長度、硬質(zhì)合金頭的相關(guān)參數(shù)等.在鉆進(jìn)過程中，在壓力的作用下，位于心軸管底端的截齒在孔底中心“掏槽”，形成破碎自由面；位于引導(dǎo)螺旋葉片上的截齒跟進(jìn)，形成錐形的鉆孔，鉆進(jìn)中截齒形成測軌跡線在孔底的投影是一組同心圓，巖屑沿螺旋葉片反向上升；充滿螺旋葉片之后，被鉆帶出孔或落入空中，用撈砂鉆頭撈出.

圖1　端螺旋鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

2　短螺旋鉆頭的力學(xué)模型

2.1截齒的幾何模型

截齒采用圓錐齒，如圖2所示，d為圓錐底面半徑，h為圓錐高，r為圓錐頂半徑，β為錐頂角的一半，其數(shù)學(xué)模型為：

圖2　截齒齒尖示意圖

2.2短螺旋鉆頭截齒力學(xué)模型

短螺旋鉆頭的引導(dǎo)螺旋葉片上有若干個(gè)截齒，鉆頭的受力主要取決于各個(gè)截齒的受力.通過力學(xué)平衡原理分析，鉆頭上單個(gè)截齒的受到巖體的阻力主要是截割阻力Fc和軸向阻力FP.單個(gè)截齒的受力模型如圖3所示，鎬形齒的錐角為2λ，在軸向力的作用下，截齒沿截割方向以切削角δ切入巖體，切屑深度為h.在切削力的作用下，與截齒前刃面相接觸的巖體受到擠壓而變形，直至破碎.

圖3　截齒受力示意圖

圖3中截割阻力Fc為切削力的反作用力，它是巖體對截齒前刃面的壓力和摩擦力綜合作用的結(jié)果，其計(jì)算模型為

式中：A為巖層的平均截割阻抗，N/mm2；b為截齒的計(jì)算寬度，mm；d為齒柄直徑，mm；h為切屑厚度，mm；t為截距，mm；φ為崩裂角，rad；β為截齒仰角，(°) ；K為綜合系數(shù).

截齒的軸向阻力計(jì)算公式為

式中：δ為夾角，(°)；λ為半錐角，(°)；μ為巖層與截齒的摩擦因數(shù).

3　短螺旋鉆頭截齒破巖仿真

3.1截齒的三維實(shí)體建模

利用Pro/E軟件，建立短螺旋鉆頭截齒、齒座的三維實(shí)體模型，截齒的幾何尺寸如圖4所示，截齒的三維模型參考了工廠的實(shí)物，與實(shí)際工作截齒的幾何特征相符.本文討論單個(gè)截齒的破巖情況，截齒巖體接觸模型在Pro/E中建立好之后將其另存為parasolid(*x_t)格式，打開ANSYSWorkbench中的顯示動(dòng)力學(xué)模塊ExplicitDynamic,導(dǎo)入已建立好的(*x_t)模型文件，并校驗(yàn)導(dǎo)入的模型是否準(zhǔn)確.所建立的截齒與巖體接觸模型如圖5所示.

圖4　截齒幾何參數(shù)　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5　截齒-巖體三維模型

3.2有限元模型網(wǎng)格劃分

利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分是否合理是能否得到正確結(jié)果的關(guān)鍵步驟.網(wǎng)格劃分密度國語粗糙，得到的結(jié)果可能有較大的誤差，甚至是完全錯(cuò)誤的結(jié)果；網(wǎng)格過于細(xì)致，將花費(fèi)過多的計(jì)算機(jī)時(shí)間，浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源，可能導(dǎo)致不能運(yùn)行.本文所涉及的模型中，截齒的形狀較為復(fù)雜，可以利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方法來得到合理的網(wǎng)格；巖體模型則屬于規(guī)則的面和體，這里采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分.為使計(jì)算結(jié)果更加的精確，對巖體的上半部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.

截齒整體選用硬質(zhì)合金鋼，截齒和巖體的具體的材料參數(shù)如表1所示.模型的網(wǎng)格劃分情況如圖6所示.

表1　截齒和巖體的材料屬性

圖6　模型網(wǎng)格劃分情況

3.3施加約束和載荷

截齒巖體模型屬于接觸類模型，接觸是指兩個(gè)獨(dú)立的表面相互接觸并相切.一般物理意義上，接觸的表面包含如下的特征：不會(huì)滲透；可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力；通常不傳遞法向拉伸力，即可自由分離和相互移動(dòng).接觸模型中，正是通過接觸來傳遞

不同部件之間的載荷.根據(jù)目標(biāo)面與接觸面的定義要求，如果一個(gè)表面比另一個(gè)表面硬，則硬表面為目標(biāo)面，另一個(gè)則為接觸面.在截齒巖體模型中，設(shè)定截齒為目標(biāo)面，巖體為接觸面.

為使仿真過程更接近實(shí)際情況，需要對模型中的部件施加相應(yīng)的約束.巖石應(yīng)該是固定的，在模型中，分別限制巖石底層的六個(gè)自由度.對于截齒，限制X軸的位移，可沿Y軸軸向移動(dòng)，和沿Z軸切向移動(dòng).

施加載荷是應(yīng)遵循以下原則：簡化假設(shè)越少越好；使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合；施加載荷時(shí)，必須清楚各載荷的施加對象.動(dòng)力學(xué)最大的問題就是載荷是隨著時(shí)間變化的，有限元在這些載荷下的響應(yīng)不能忽略.巖體模型需要施加的載荷類型有力FX、FY、Fz和位移UX、UY、UZ；對于截齒可供選擇的載荷類型有力、力矩、線速度以及角速度.巖體模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)和組員賦予初速度為零，截齒的載荷按表2施加.

表2　接觸強(qiáng)度為600 MPa時(shí)不同切削厚度下的扭矩和軸向力

3.4截齒破巖過程有限元仿真

經(jīng)過上述步驟，通過ANSYSWorkbench，在保證截齒的切削線速度為1m/s以及其他參數(shù)不變的條件下，分別對切削厚度為10mm、20mm的巖石進(jìn)行切削過程的模擬仿真.圖7、圖8所示分別為切削厚度為10mm、20mm時(shí)巖石的等效應(yīng)力分布云圖.

由巖石的等效應(yīng)力云圖可知，越靠近截齒尖端的位置巖石的等效應(yīng)力越大，以及不同切削厚度下，巖石所受的最大等效應(yīng)力.通過分析不同切削厚度下巖石的等效應(yīng)力云圖可知，在隨著切削厚度的增加，巖石的等效應(yīng)力明顯增大，則截齒的切削力在此過程中也是明顯增大的，這說明在鉆頭輸出的轉(zhuǎn)速一定、巖層的各個(gè)參數(shù)俱相同時(shí)，輸出的扭矩及軸向力會(huì)隨著切削厚度的增大而增大.從以上的分析則可以反推出，在鉆頭的扭矩和軸向力一定時(shí)所能允許鉆進(jìn)巖石的情況.這樣能有效的避免因扭矩或是軸向力過大致使葉片貨截齒損毀以及其他系統(tǒng)壽命降低的現(xiàn)象.

圖7　切削厚度為10 mm時(shí)巖石等效應(yīng)力云圖

圖8　切削厚度為20 mm時(shí)巖石等效應(yīng)力云圖

4　結(jié)　論

通過截齒對巖石的切削仿真分析，得出了切削厚度變化時(shí)巖石所受等效應(yīng)力的變化趨勢，通過這個(gè)變化趨勢，推出了在一定的扭矩和軸向力時(shí)，所能允許鉆進(jìn)的巖石情況. 這對特定巖層所需旋挖鉆頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，另外對現(xiàn)場施工也有一定的指導(dǎo)意義.

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SimulationofRockBreakingbyToothofHelixBitBasedonANSYSWorkbench

LVJian-hua1,TANGHuan-qing2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)

Basedonanalyzingthestructureofthehelixbit,themechanicsmodelofthetoothofshorthelixbitisestablished,SimulationofrockbreakingprocessbytoothofhelixbitismadebasedonANSYSWorkbench，Throughthevon-misestressofrock，thesituationofrockcanallowdrillinginacertaintorqueandaxialforcescanbededuced.

ANSYSWorkbench;tooth;simulation

2015-09-04

湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z).

呂建華(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)理論與控制技術(shù).

TD421

A

1671-119X(2016)01-0037-04