钻进过程中钻具力学和热力学参数同时监测技术

发布时间：2017-10-24 12:08

  本文关键词：钻进过程中钻具力学和热力学参数同时监测技术

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【摘要】：近年来,钻具被广泛应用于建筑工程、采矿工程、石油工程和航空航天等领域,对钻具的力学和热力学参数检测也变得日益复杂,因此必须选择合适的传感器对其进行实时监测,以确保工程的可靠性,并降低成本。传统的电磁式传感技术已经远不能满足高精度的要求,光纤光栅传感作为一种新兴的传感技术,具有电磁式传感器无法企及的优点,其精度高、质量轻、体积小,并且抗干扰,在实际工程中的应用变得越来越广泛。钻具在钻进过程中通常会受到轴向力、弯矩和扭矩的综合作用,同时会伴随着温度的升高,受力过大或温度过高都会影响钻具的性能,使其不能正常工作,甚至有可能导致钻进系统损坏和人身伤亡事故。因此,在钻进系统设计时,尤其是在对功耗和质量要求很高的工程中(如航空航天工程),分析和检测钻具的力学和热力学参数是非常必要的。本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元仿真,对钻具的力学参数和热力学参数进行了分析,并对其进行了实验测量。本文研究的内容主要包括以下几个方面：1.系统地分析了光纤光栅的传感特性、解调方法及应用现状,简述了钻具力学和热力学参数检测技术的国内外现状。2.分析了光纤光栅对应变和温度的传感原理,基于热力学的基本原理对钻具钻进过程的热传递情况进行了分析,介绍了钻具所受轴向力、弯矩和扭矩的分离原理及修正方法。3.通过建立钻具和工件模型对钻具钻进工件过程进行了仿真分析,得到了钻具的温度场分布情况,最后通过对钻具进行静力学仿真分析,得到了钻具的应力分布情况和进行压弯扭分离的修正参数△和尼。根据仿真结果,确定了钻具的应力和温度检测节点。4.利用光纤光栅传感器对在压弯扭复合载荷下的铝合金圆管的待测横截面处所受到的轴向力、弯矩和扭矩进行了测量,对在钻具钻进工件这一动态过程中钻具所受到的轴力、弯矩、扭矩和温度进行了监测。通过比较实验结果与理论及仿真结果,验证了利用光纤光栅检测钻具力学和热力学参数的可行性。该研究为工程上对钻具力学和热力学参数的检测提供了-种新的方法。
【关键词】：钻具 轴向力 弯矩 扭矩 温度
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS914.5
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-22
• 1.1 课题研究的背景及意义16
• 1.2 光纤光栅传感研究进展16-18
• 1.2.1 光纤光栅的发展概况16-17
• 1.2.2 光纤光栅传感的应用现状17-18
• 1.3 钻具力学和热力学参数测量的研究现状18-21
• 1.4 本文研究的主要内容21-22
• 第二章 光纤光栅用于检测钻具力学和热力学参数的理论基础22-32
• 2.1 光纤光栅传感器的工作原理22-25
• 2.1.1 应力对FBG的作用23
• 2.1.2 温度对FBG的作用23-24
• 2.1.3 FBG对温度和应变的交叉敏感问题24-25
• 2.2 钻具的压弯扭分离与修正原理25-28
• 2.2.1 圆柱管(杆)的压弯扭分离原理25-27
• 2.2.2 外螺旋钻杆压弯扭的分离与修正27-28
• 2.3 钻进过程中钻具的热量分析28-29
• 2.3.1 钻具热量的来源28-29
• 2.3.2 钻具热量的耗散29
• 2.4 检测方案29-31
• 2.4.1 光纤光栅传感器的信号解调原理29-31
• 2.4.2 钻具力学和热力学参数检测系统31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 钻具力学和热力学参数的有限元分析32-48
• 3.1 有限元仿真简介32
• 3.1.1 有限元分析法32
• 3.1.2 仿真软件简介32
• 3.2 钻具的热力学参数仿真32-42
• 3.2.1 钻具和工件的有限元模型的建立32-34
• 3.2.2 钻具和工件模型的网格划分34-35
• 3.2.3 设置边界条件和材料属性35
• 3.2.4 仿真结果及其分析35-42
• 3.2.5 温度监测节点的选定42
• 3.3 钻具力学参数仿真42-47
• 3.3.1 钻具力学参数仿真42-47
• 3.3.2 钻具力学参数监测节点的选定47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 基于光纤光栅的钻具力学和热力学参数测量实验研究48-67
• 4.1 空心圆管静态压弯扭实验测量研究48-54
• 4.1.1 实验装置48-53
• 4.1.3 误差分析53-54
• 4.2 钻杆钻进过程中力学和热力学参数动态测量实验研究54-65
• 4.2.1 光纤光栅温度传感器的封装与标定54-55
• 4.2.2 光纤光栅应变传感器的温度灵敏度标定55
• 4.2.3 实验装置55-56
• 4.2.4 实验过程及结果56-65
• 4.2.5 误差分析65
• 4.3 本章小结65-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 5.1 总结67
• 5.2 展望67-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文74

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本文编号：1088670