空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响.pdf

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1、6探矿工程(岩土钻掘工程)2011年第38卷第4期空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响l、．根，龚汉松，夏柏如(中国地质大学工程技术学院，北京100083)摘要：潜孔锤的钻进过程是一个高度非线性、大变形、破碎岩石的过程，利用非线性有限元程序ANSYS／LS—DY—NA研究了在凿岩过程中，球齿凿入不同空隙率(塑性体积应变)岩石的冲击力特性。结果表明，岩石空隙率对钻头球齿与岩石之间的凿入冲击力幅值有很大影响，随着空隙率的增大，球齿凿入的冲击力显著减小，而对活塞与钻头间冲击力幅值影响甚微。通过ANSYS／LS—DYNA瞬态冲击数值模拟，形象地再现了潜孔锤钻凿系统冲

2、击岩石发生侵入破坏的物理过程，为冲击碎岩瞬态研究提供了一个有效的分析方法。关键词：潜孔锤；空隙率；瞬态冲击力；ANSYS／LS—DYNA中图分类号：P634．1文献标识码：A文章编号：1672—7428(2011)04—0006—04SimulationStudyofRockVoidsRateAffectingonImpactForceofDTHHamme／BUChang—gen，GONGHan—song，XIABo—rlz(SchoolofEngineeringandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences，Beiji

3、ng100083，China)Abstract：Theprocessofimpacthammerdrillingisverycomplexforhighnon—linearity，largedeformationanddamagebe—havior．TheexplicitfiniteelementcodeANSYS／LS—DYNAwasemployedtoresearchthetransientpercussiveeharacteris—tic0fbitinsertsimpactingbrittlerockwithdifferentrateofairvoid

4、s．Theimpactforcescurvesofconcreteandsandstoneunderhammerimpacthasbeenrecorded．Fromthesimulationresults，therockvoidrateafectsvariouslyonthetransientimpactforceofbitinsertspenetratingrock．Theimpactforcebetweenbitandrockdecreasessharplyastherockvoidraterises．However，thetransientimpact

5、forcebetweenpistonandbithasnothingwiththerockvoidrate．Thephysicalproces—sessuchasinsertpenetratingrockssubjectedtopercussivehammerdrillingaredisplayedvisually．Itisbelievedthatthenumericalsimulationwillbecomeagoodresearchmethodfortransientimpactprocess．Keywords：DTHHammer；rockvoids；t

6、ransientimpactforce；ANSYS／LS—DYNA0引言或锥形结构)，而活塞的气槽及钻头的花键等局部潜孔锤钻进是一种以轴向冲击力为主破碎岩石结构尺寸都比较大，研究凿岩系统的冲击过程时，这的钻进方法，广泛地应用于地质工程基岩钻进领域。些局部结构不能忽略。另外，活塞与钻头冲击面之使用该钻进技术时，潜孔锤活塞冲击钻头，产生的冲问的Hertz接触模型属于静态范畴，对于活塞与钻击力以应力波的形式作用于钻头，能高效地体积破头的非一致性冲击面，其物理意义不明确J。事实碎岩石。气动潜孔锤凿岩系统(活塞一钻头一岩上，活塞与钻头冲击面实际变形非常复杂，Liu等石

7、)的冲击过程是应力波的产生、传播与耗散的过指出纵然活塞与活塞冲击接触变形这一非线性力学程，目前一般是采用一维弹性波理论来建立凿岩系过程能用接触撞击弹簧模拟近似，但其刚度一般很统的冲击数学模型，并通过特征线法或表算法来进难通过理论计算得到，而必须借助于试验研究。实行数值计算¨“J。活塞与钻头冲击面局部接触的处际情况是多齿钻头的岩石动态凿入系数及卸载系数理是在活塞与钻头之问虚设一个非线性弹簧，其作目前很难测定。ANSYS／LS—DYNA是著名的通用用力与变形的关系符合Hertz接触定律j。钻头与显式动力有限元分析程序，用于求解高度非线性复岩石之问的边界是在钻头与

8、岩石之间施加等效非线杂问题，能够有效处理多种冲击接触