吕建华，唐唤清

(1. 湖南工业大学 机械工程学院,株洲 412007; 2.湖南工程学院 机械工程学院,湘潭 411101)



基于ANSYSWorkbench的螺旋钻头截齿破岩仿真分析

吕建华1，唐唤清2

(1. 湖南工业大学 机械工程学院,株洲 412007; 2.湖南工程学院 机械工程学院,湘潭 411101)

基于对螺旋钻头的结构分析，建立了短螺旋钻头截齿的力学模型，以ANSYSWorkbench为平台，对螺旋钻头截齿破岩的过程进行了模拟仿真，通过岩石的等效应力云图，推导出了在一定的扭矩和轴向力时，所能允许钻进的岩石情况.

ANSYSWorkbench;截齿;仿真

0　引　言

短螺旋钻头因其结构简单、入岩能力较强而得到广泛的应用，特别是在硬质地层钻进中的应用.由于设计的不合理或使用不当，短螺旋钻头在钻进过程中经常出现叶片变形甚至撕裂的情况，因此容易导致孔内的安全事故，给施工单位造成巨大的经济损失.针对这种情况，对短螺旋钻头在钻进过程中受力状况的力学仿真分析对优化改进短螺旋钻头的设计结构，提高产品的使用寿命和性能具有重要的意义.本文通过Pro/E建模并利用ANSYS进行有限元仿真分析.

1　短螺旋钻头的结构分析

根据钻进地层条件的不同，使用的短螺旋钻头的结构也是多种多样的，最常见的短螺旋钻头从结构形式上可以分为平头短螺旋钻头和锥头短螺旋钻头.其结构主要由法兰、心轴管、主螺旋叶片(导向叶片)和引导螺旋叶片组成，如图1所示.锥头螺旋钻头又分为双锥双螺短螺旋钻头、双锥单螺短螺旋钻头、单锥单螺短螺旋钻头.

短螺旋钻头的主要参数有螺距、螺旋线长度、短螺旋钻头锥角、切削具布齿间距、切削具布齿到径的螺旋线回转角度、钻齿的布齿角度及长度、硬质合金头的相关参数等.在钻进过程中，在压力的作用下，位于心轴管底端的截齿在孔底中心“掏槽”，形成破碎自由面；位于引导螺旋叶片上的截齿跟进，形成锥形的钻孔，钻进中截齿形成测轨迹线在孔底的投影是一组同心圆，岩屑沿螺旋叶片反向上升；充满螺旋叶片之后，被钻带出孔或落入空中，用捞砂钻头捞出.

图1　端螺旋钻头结构示意图

2　短螺旋钻头的力学模型

2.1截齿的几何模型

截齿采用圆锥齿，如图2所示，d为圆锥底面半径，h为圆锥高，r为圆锥顶半径，β为锥顶角的一半，其数学模型为：

图2　截齿齿尖示意图

2.2短螺旋钻头截齿力学模型

短螺旋钻头的引导螺旋叶片上有若干个截齿，钻头的受力主要取决于各个截齿的受力.通过力学平衡原理分析，钻头上单个截齿的受到岩体的阻力主要是截割阻力Fc和轴向阻力FP.单个截齿的受力模型如图3所示，镐形齿的锥角为2λ，在轴向力的作用下，截齿沿截割方向以切削角δ切入岩体，切屑深度为h.在切削力的作用下，与截齿前刃面相接触的岩体受到挤压而变形，直至破碎.

图3　截齿受力示意图

图3中截割阻力Fc为切削力的反作用力，它是岩体对截齿前刃面的压力和摩擦力综合作用的结果，其计算模型为

式中：A为岩层的平均截割阻抗，N/mm2；b为截齿的计算宽度，mm；d为齿柄直径，mm；h为切屑厚度，mm；t为截距，mm；φ为崩裂角，rad；β为截齿仰角，(°) ；K为综合系数.

截齿的轴向阻力计算公式为

式中：δ为夹角，(°)；λ为半锥角，(°)；μ为岩层与截齿的摩擦因数.

3　短螺旋钻头截齿破岩仿真

3.1截齿的三维实体建模

利用Pro/E软件，建立短螺旋钻头截齿、齿座的三维实体模型，截齿的几何尺寸如图4所示，截齿的三维模型参考了工厂的实物，与实际工作截齿的几何特征相符.本文讨论单个截齿的破岩情况，截齿岩体接触模型在Pro/E中建立好之后将其另存为parasolid(*x_t)格式，打开ANSYSWorkbench中的显示动力学模块ExplicitDynamic,导入已建立好的(*x_t)模型文件，并校验导入的模型是否准确.所建立的截齿与岩体接触模型如图5所示.

图4　截齿几何参数　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5　截齿-岩体三维模型

3.2有限元模型网格划分

利用ANSYS进行有限元分析，网格划分是否合理是能否得到正确结果的关键步骤.网格划分密度国语粗糙，得到的结果可能有较大的误差，甚至是完全错误的结果；网格过于细致，将花费过多的计算机时间，浪费计算机资源，可能导致不能运行.本文所涉及的模型中，截齿的形状较为复杂，可以利用自适应网格划分的方法来得到合理的网格；岩体模型则属于规则的面和体，这里采用映射网格进行划分.为使计算结果更加的精确，对岩体的上半部分进行网格细化.

截齿整体选用硬质合金钢，截齿和岩体的具体的材料参数如表1所示.模型的网格划分情况如图6所示.

表1　截齿和岩体的材料属性

图6　模型网格划分情况

3.3施加约束和载荷

截齿岩体模型属于接触类模型，接触是指两个独立的表面相互接触并相切.一般物理意义上，接触的表面包含如下的特征：不会渗透；可传递法向压缩力和切向摩擦力；通常不传递法向拉伸力，即可自由分离和相互移动.接触模型中，正是通过接触来传递

不同部件之间的载荷.根据目标面与接触面的定义要求，如果一个表面比另一个表面硬，则硬表面为目标面，另一个则为接触面.在截齿岩体模型中，设定截齿为目标面，岩体为接触面.

为使仿真过程更接近实际情况，需要对模型中的部件施加相应的约束.岩石应该是固定的，在模型中，分别限制岩石底层的六个自由度.对于截齿，限制X轴的位移，可沿Y轴轴向移动，和沿Z轴切向移动.

施加载荷是应遵循以下原则：简化假设越少越好；使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合；施加载荷时，必须清楚各载荷的施加对象.动力学最大的问题就是载荷是随着时间变化的，有限元在这些载荷下的响应不能忽略.岩体模型需要施加的载荷类型有力FX、FY、Fz和位移UX、UY、UZ；对于截齿可供选择的载荷类型有力、力矩、线速度以及角速度.岩体模型各个节点和组员赋予初速度为零，截齿的载荷按表2施加.

表2　接触强度为600 MPa时不同切削厚度下的扭矩和轴向力

3.4截齿破岩过程有限元仿真

经过上述步骤，通过ANSYSWorkbench，在保证截齿的切削线速度为1m/s以及其他参数不变的条件下，分别对切削厚度为10mm、20mm的岩石进行切削过程的模拟仿真.图7、图8所示分别为切削厚度为10mm、20mm时岩石的等效应力分布云图.

由岩石的等效应力云图可知，越靠近截齿尖端的位置岩石的等效应力越大，以及不同切削厚度下，岩石所受的最大等效应力.通过分析不同切削厚度下岩石的等效应力云图可知，在随着切削厚度的增加，岩石的等效应力明显增大，则截齿的切削力在此过程中也是明显增大的，这说明在钻头输出的转速一定、岩层的各个参数俱相同时，输出的扭矩及轴向力会随着切削厚度的增大而增大.从以上的分析则可以反推出，在钻头的扭矩和轴向力一定时所能允许钻进岩石的情况.这样能有效的避免因扭矩或是轴向力过大致使叶片货截齿损毁以及其他系统寿命降低的现象.

图7　切削厚度为10 mm时岩石等效应力云图

图8　切削厚度为20 mm时岩石等效应力云图

4　结　论

通过截齿对岩石的切削仿真分析，得出了切削厚度变化时岩石所受等效应力的变化趋势，通过这个变化趋势，推出了在一定的扭矩和轴向力时，所能允许钻进的岩石情况. 这对特定岩层所需旋挖钻头的设计提供了理论依据，另外对现场施工也有一定的指导意义.

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SimulationofRockBreakingbyToothofHelixBitBasedonANSYSWorkbench

LVJian-hua1,TANGHuan-qing2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)

Basedonanalyzingthestructureofthehelixbit,themechanicsmodelofthetoothofshorthelixbitisestablished,SimulationofrockbreakingprocessbytoothofhelixbitismadebasedonANSYSWorkbench，Throughthevon-misestressofrock，thesituationofrockcanallowdrillinginacertaintorqueandaxialforcescanbededuced.

ANSYSWorkbench;tooth;simulation

2015-09-04

湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目(Z).

吕建华(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：机械设计理论与控制技术.

TD421

A

1671-119X(2016)01-0037-04