新型仿生 PDC 齿高效切削机理及试验研究.pdf

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1、2013年第40卷第12期探矿工程(岩土钻掘工程)5新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究刘婧，高科，徐小健，李梦(吉林大学建设工程学院，吉林长春130026)摘要：利用仿生耦合理论，根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿，并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析，与普通PDC齿的应力分布状态进行对比，可以看出，在同等条件下，非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿，具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验，

2、试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。关键词：仿生耦合；abaqus；非光滑；PDC切削齿；磨耗比中图分类号：P634．4文献标识码：A文章编号：1672—7428(2013)12—0005—04EficientCuttingMechanismoftheNewBionicPDCTeethandtheExperimentalStudy／LIUJing，GAOICe，XUXi—ao-jian，LIMeng(CollegeofConstructionEngineering，JilinUnive

3、rsity，ChangchunJilin130026，China)Abstract：Basedonthebioniccouplingtheoryandaccordingtonon—smoothmorphologyofshells，molecricketandotheranimals&plants．anewkindofbionicPDCtoothisdeveloped．Theanalysisismadeonthesingletoothmotionprocessbe—foreandafterthewea

4、rbyabaqusfiniteelementsoftwareandthecomparativeanalysisismadewiththestressdistributionstateofthecommonPDCteeth．Itcanbeseenthatunderthesameconditions，thenon—smoothPDCcuttingteethhavebet—terstressvalueanddistributionstatethanthecommonPDConeswithgoodrockb

5、reakingeffect．Inaddition，theabrasionratiotestisalsomadeonthese2kindsofcuttingteeth；thetestresultsalsoprovethatthePDCbionicPDCteethhavesomesuperiority．Keywords：bioniccouplingtheory；abaqus；non—smooth；PDCcutterteeth；abrasionratio0前言有几位专家进行了这方面研究：邓敏凯利用近年来，

6、在国内外钻探领域，聚晶金刚石复合片ABAQUS模拟了结构场下PDC齿破岩过程，对比试(PDC)钻头的应用越来越受到青睐，但在使用过程验结果，确立了用ABAQUS模拟结构场下PDC齿破中也存在着一些不足，如PDC齿随着齿刃的不断磨岩的可行性；龙巾帼利用ABAQUS模拟了热一结损破岩效率急剧下降，磨损加速，严重影响钻头的使构耦合场下PDC齿破岩过程，对比理论计算结果，用效果。针对此不足，为了更好地发挥PDC钻头的确立了利用ABAQUS模拟热一结构耦合场下PDC性能，专业研究人员针对PDC钻头的PDC材料

7、、布齿破岩过程的可行性。但是上述大部分的研究尚处齿、切削角和结构等方面进行了很多研究，取得了长于保密阶段，无法了解其具体研究过程。足进步，但目前仍然没有得到彻底解决，性能方面还本文以贝壳和动物爪趾为仿生原形，设计了一有很大的提升空间。种新型的仿生PDC切削齿，利用ABAQUS进行单个PDC齿的性能提升对有效提高PDC钻头的钻PDC齿与岩石接触的受力状态有限元数值模拟，并进效率、增加使用寿命、缩短钻井周期和节省钻井成进行磨耗比对比测试。本意义重大。其中最有效的方法之一是引入仿生学，采用相应的仿生技术实

8、现对PDC齿的表面改形1仿生PDC齿设计与数值模拟和整体改性，使其既能持续保持快速破岩效果又能1．1仿生原形选择减缓磨损速度。1．1．1贝壳同时本文利用ABAQUS模拟在对PDC齿计算贝壳(图1)是软体动物的外套膜，是一种钙化机有限元数值分析方面，相关文献很少。目前国内物。我们知道，贝壳具有的力学性质十分优异，附着收稿日期：2013—10—08基金项目：深部探测技术与实验研究专项“深部探测关键仪器装备研制与实验”之“深部大陆科学钻探装备研制项目”(SinoProbe—