基于LS-DYNA的硬质合金钻头模拟破碎月岩分析及优化

发布时间：2017-11-10 05:17

  本文关键词：基于LS-DYNA的硬质合金钻头模拟破碎月岩分析及优化

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【摘要】：月表取心钻进破岩效果直接决定取心钻进能否成功,是月表取样的关键和核心问题之一。月表的真空无水恶劣钻进环境和苛刻的低功耗钻进条件,对切削钻进效率和钻头可靠性等提出了很高的要求,为实现月表高可靠性、高效碎岩取心工作,本文以月岩作为研究对象,深入研究月岩的回转碎岩机理,为月表钻进工艺选择及钻头结构优化提供理论基础和设计依据。相关研究表明,近地外空钻进中硬质合金钻头应用比较广泛。本文研究硬质合金钻进原理时,重点研究硬质合金钻头的切削碎岩过程及碎岩过程中切削齿的受力,这直接关乎切削钻进过程的效率和钻头可靠性。在月表进行月岩钻进过程中属于真空条件,钻进过程中可能遇到玄武岩等较硬岩石,因此对钻进中所用钻头的碎岩性能和可靠性要求比较严格。本文通过调研分析月岩物理力学特性及前人对回转切削破碎岩石的机理研究,以在月表钻进过程中可能遇到的月海玄武岩为模拟对象,选择适合切削碎岩数值模拟的HJC材料本构模型,建立了硬质合金钻头切削碎岩的力学模型并分析计算,分析了模拟月岩的切削破碎时的失效形式根据碎岩条件不同而表现出压应力、剪应力和拉应力三种随机循环破坏过程。通过力学模型计算了切削力(钻头转矩)与切削齿结构参数之间的关系,确定了影响钻进效率的敏感参数,如切削齿前角,齿宽,切深等参数。应用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics method,SPH)的无网格算法,解决了岩石破碎过程中的大变形产生的畸变在拉格朗日网格算法中因网格畸变而导致计算结果误差较大的问题。应用LS-DYNA中的111号J-H-C材料作为模拟月岩材料的本构模型,从强度准则,损伤定义,状态方程三个方面分析了模拟月岩本构模型损伤失效机理。通过观察岩石破碎直至岩屑产生过程,仿真结果应力云图及破碎效果,观察到在改变切削齿结构参数时岩屑的形成状态既有细碎岩屑亦有大块剪切岩屑,验证了力学模型理论分析中岩石破碎过程。通过微钻实验台,对月岩模拟物进行微钻实验,结果表明钻进过程产生的岩屑与碎岩机理理论分析表现出一致性,扭矩值的波动性与仿真结果中切削力值的波动性相符合。本文结合理论分析与有限元数值模拟分析,采用单因素法和正交法,从切削齿前角,宽度及切深,对月岩中较为常见的月海玄武岩进行切削仿真,分析单齿碎岩过程中的切削力,发现在前角角度为0°时,切削齿破碎模拟月岩形式多为压碎切削,切削力的值较大。随着前角增加破碎形式变为拉应力和剪应力破碎,切削力有所降低,但对于不同前角拉应力和剪应力作用不同,通过对比分析得出,在切削齿宽为0.7cm,前角为10°时平均切削力和最大切削力最小。通过对磨损时切削齿的仿真结果表面磨损程度越高,切削阻力越大。对三种月岩材料进行仿真对比分析,对比其切削过程中切削力变化趋势及破碎效果。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P184.5;P634.41

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本文编号：1165239