凸包型仿生耦合金刚石钻头模拟分析.pdf

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1、2012年第39卷第1期探矿工程(岩土钻掘工程)77凸包型仿生耦合金刚石钻头模拟分析王建强，李国民，汤小仁，简崇林(1．中国地质大学(北京)工程技术学院，北京100083；2．中国地质大学(北京)科学钻探国家专业实验室，北京100083；3．中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000)摘要：研究发现仿生耦合钻头较普通钻头钻进时效提高很多。仿生耦合钻头一方面能使钻头唇面有较高的比压；另一方面能使钻头具有很好的冷却效果，因此在钻探工程中有很好的应用前景。应用数值模拟软件ansys，模拟分析了凸包型非光滑表面对金刚石钻头

2、性能的影响。对比分析了4种不同非光滑度状况下，钻头在一定的钻压作用下在岩石表面产生滑动摩擦的过程。主要分析了该过程中岩层的等效应力、钻头底唇面的接触摩擦应力和接触压力的变化规律。研究发现，凸包型非光滑表面在一定程度上可以提高钻头的使用寿命和钻进效率。关键词：仿生学；非光滑；凸包；金刚石钻头；模拟分析中图分类号：P634．41文献标识码：A文章编号：1672—7428(2012)01—0077—03SimulationAnalysisonBionicCouplingDiamondBitwithConvexDomes／WANG

3、Jian—qiang’，LIGuo—min’，TANGXiao—Felt，JIANChong—lin(1．SchoolofEngineeringandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China；2．NationalLabonScientificDrilling，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China；3．TheInstituteofExplorationTechniques，CAGS，Lan

4、gfangHebei065000，China)Abstract：Itwasfoundthatbioniccouplingbitshavehigherdrillingefficiencythanordinarydrillbitsbystudy．Ontheonehand，bioniccouplingbitswithhigherpressureonthebottomlipsurface；ontheotherhand，itimprovesthecoolingcondi—tion．Soithasagoodprospectindril

5、lingengineering．Inthispaper，thenumericalsimulationsoftwareansyswasusedtoanalyzetheimpactoftheconvexandnon·smoothsurfaceontheperformanceofdiamondbit．Comparisonwasmadeontheprocessofdrillbitsslidingfrictionontherocksurfacewithcertainpressureunder4differentnon—smoothn

6、essconditions．A—nalysiswasmademainlyonthevariationofrock’Sequivalentstress，contactfrictionstressandcontactpressureonthebot—tomlipsurfaceofbit．Theconvexandnon—smoothsurfacecanincreasetheservicelifeanddrillingeficiencyofdrillbit．Keywords：bionics；non—smooth；convexdom

7、e；diamondbit；simulationanalysis0引言此仿造生物体表的特性，将仿生非光滑理论应用到随着人类社会经济的快速发展，能源尤其是油钻头的设计上，来解决钻头的寿命短、钻进效率低以气资源供需问题日益严峻。勘探开发逐渐向深层拓及钻头泥包等钻进难题，将是一种新的尝试。展，所钻地层越来越复杂，常规的钻头在钻进该类地目前有不少学者在此方面作了大量的研究。如层常表现出寿命短，钻进效率低，很难达到要求。因高科系统地分析了非光滑表面减阻、防粘和耐此急需要设计一种适应该类地层的钻头，仿生金刚磨的特性，并研制出仿生金刚石钻

8、头。试验结果表石钻头便由此产生。它将仿生学中的非光滑理论应明，仿生钻头较普通钻头钻速提高44％、使用寿命用到钻头设计上。仿生学是生物科学与技术科学有增加74％。发现非光滑度及非光滑表面材料性能机结合而产生的一门重要的新兴边缘性学科，仿生与所钻地层是否相适应对非光滑表面耐磨性能能否技术被认为是原始科技创新