| 复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究 | |
秦承帅; 孙洪斌; 李利平; 刘学港; 刘知辉; 冯春 ; 孙子正
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| Source Publication | 煤田地质与勘探
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| 2023-09-07 | |
| Volume | 51Issue:09Pages:109-120 |
| ISSN | 1001-1986 |
| Abstract | 复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术，针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题，基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM)，建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型，再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发，建立单钻齿复合冲击运动模型，并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析，揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上，建立单钻齿复合冲击切削力学模型，开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法，分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果，探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎，可实现“立体破岩”效果，进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大，但钻齿所受的切削力也会同步增大；冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果，较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大；提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积，但钻齿所受的切削力也相对较大，不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。 |
| Keyword | 破岩 复合冲击钻进 PDC钻齿 破岩机理 连续-非连续分析方法 数值模拟 |
| Indexed By | EI |
| Language | 中文 |
| Funding Organization | 山东铁投集团科研项目(TTKJ2021-06) ; 深圳市科技计划项目(GJHZ20200731095006019) ; 济南重工集团有限公司科研项目(JtZlgh-2020-007) ; 山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QE021) |
| Ranking | 3+ |
| Document Type | 期刊论文 |
| Identifier | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/93046 |
| Collection | 流固耦合系统力学重点实验室 |
| Affiliation | 1.山东大学齐鲁交通学院 2.山东铁路投资控股集团有限公司 3.中国科学院力学研究所 4.山东大学深圳研究院 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 秦承帅,孙洪斌,李利平,等. 复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究[J]. 煤田地质与勘探,2023,51,09,:109-120. |
| APA | 秦承帅.,孙洪斌.,李利平.,刘学港.,刘知辉.,...&孙子正.(2023).复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究.煤田地质与勘探,51(09),109-120. |
| MLA | 秦承帅,et al."复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究".煤田地质与勘探 51.09(2023):109-120. |
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| JpC2023F126.pdf（2572KB） | 期刊论文 | 出版稿 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Download | |
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