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1、聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的仿真研究罗德1,2，黎明发2，吴波1，范端2（1．武汉理工大学机电工程学院,武汉430070；2．武汉理工大学高温高压物理研究所,武汉430070）摘要：在聚晶金刚石复合片钻头的钻进过程中，其钻进效率受到很多因素的制约。考虑钻头切削角度、切削速度和钻进速度对钻进过程的影响，利用LS-DYNA对聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的过程进行了模拟。通过仿真计算建立了聚晶金刚石复合片钻头切削角度的变化与钻进效率之间的关系，比较分析了切削速度和钻进速度对钻进过程的影响。关键词：LS-DYNA；钻进过程；聚晶金刚石复合片；仿真中图分类号：TE242文献标识码：A文章编号：Sim
2、ulationoftheDrillingProcessofPolycrystallineDiamondCompactDrillingBitLUODe1,2,LIMing-fa2,WUBo1,FANDuan2(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070;2.InstituteofHighTemperatureandHighPressurePhysics,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)Abstract:Drillingef
3、ficiencyofPolycrystallineDiamondCompactBitwasconstraintedbymanyfactorsduringthedrillingprocess.Withrespecttotheeffectofthecuttingangles,cuttingspeedanddrillingspeedonthedrillingprocess,thispapersimulatedthedrillingprocessofPDCbitsbytheuseofawell-knownfiniteelementpackage,LS-DYNA.Basedontheresultsof
4、analysis,therelationshipcurvebetweenthechangeofcuttingangleandthedrillingefficiencyhasbeenestablished,andtheauthoralsoanalyzedtheinfluenceofthedrillingprocess,whichrespondetothechangeofcuttinganglesandcuttingspeedrespectively.Keywords:LS-DYNA;drillingprocess;PolycrystallineDiamondCompact;simulation
5、作者简介：罗德（1984-），男，硕士生；Email:luode@whut.edu.cn聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)在各个领域的应用越来越受到广泛关注。有研究表明，金刚石在切削岩层的过程中，岩层表现出一种压实、压溃的循环过程，岩层切削属于典型的破裂破坏，切削力呈现较严重的波动性。Bienert[1]曾首次提出一个单颗粒金刚石切削岩层的模型，张林中等基于这一模型进行相关研究，得出单颗粒金刚石切削岩层过程中，不同出露高度、不同切入深度条件下切削合力的变化关系。Denkena等人[2]通过单颗粒金刚石切削混凝土和钢筋材料的方法对其切削机理进行了相关研究。文章采用数值模拟的手段,基于选定岩
6、层对PDC钻头以不同切削角度钻进岩层的过程进行动态模拟,仔细分析了PDC钻头的切削角度对钻进效率的影响以及切削速度、钻进速度的变化对钻进过程的影响，为在不同地层条件下合理选用PDC钻头的钻进参数提供依据。1基本假设及数值分析模型1.1基本假设金刚石层硬质合金仿真计算基于如下基本假设进行：1）金刚石层和硬质合金层处于弹性无塑性变形状态，选用线弹性或理想弹塑性材料模型；2)将微小时间段内PDC钻头切削齿的旋转等效为直线切削；3)岩层材料无限大。1.2数值分析模型PDC钻头的钻进过程岩层利用著名的非线性动力分析程序LSDYNA3D进行仿真。PDC钻头切削齿的有限元模型见图1所示，复合片尺寸为Φ8m
7、m×4.5mm,岩层尺寸为6mm×8mm×3mm的长方体，模型中选取切削齿的一部分进行计算。所有模型均选用描述3维实体结构的SOLID164单元，金刚石和硬质合金采用六面体扫掠网格划分单元,且两层材料界面附近网格划分较密，岩层采用六面体映射网格划分单元。岩层、金刚石层和硬质合金图1有限元模型网格划分层均采用面-面侵蚀接触，单位制采用mm-kg-ms，模拟时间为2.0ms。边界载荷包括切削速度和钻进速度。为模拟
