本文關鍵詞：基于LS-DYNA的硬質合金鉆頭模擬破碎月巖分析及優(yōu)化

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【摘要】：月表取心鉆進破巖效果直接決定取心鉆進能否成功,是月表取樣的關鍵和核心問題之一。月表的真空無水惡劣鉆進環(huán)境和苛刻的低功耗鉆進條件,對切削鉆進效率和鉆頭可靠性等提出了很高的要求,為實現(xiàn)月表高可靠性、高效碎巖取心工作,本文以月巖作為研究對象,深入研究月巖的回轉碎巖機理,為月表鉆進工藝選擇及鉆頭結構優(yōu)化提供理論基礎和設計依據(jù)。相關研究表明,近地外空鉆進中硬質合金鉆頭應用比較廣泛。本文研究硬質合金鉆進原理時,重點研究硬質合金鉆頭的切削碎巖過程及碎巖過程中切削齒的受力,這直接關乎切削鉆進過程的效率和鉆頭可靠性。在月表進行月巖鉆進過程中屬于真空條件,鉆進過程中可能遇到玄武巖等較硬巖石,因此對鉆進中所用鉆頭的碎巖性能和可靠性要求比較嚴格。本文通過調研分析月巖物理力學特性及前人對回轉切削破碎巖石的機理研究,以在月表鉆進過程中可能遇到的月海玄武巖為模擬對象,選擇適合切削碎巖數(shù)值模擬的HJC材料本構模型,建立了硬質合金鉆頭切削碎巖的力學模型并分析計算,分析了模擬月巖的切削破碎時的失效形式根據(jù)碎巖條件不同而表現(xiàn)出壓應力、剪應力和拉應力三種隨機循環(huán)破壞過程。通過力學模型計算了切削力(鉆頭轉矩)與切削齒結構參數(shù)之間的關系,確定了影響鉆進效率的敏感參數(shù),如切削齒前角,齒寬,切深等參數(shù)。應用光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics method,SPH)的無網格算法,解決了巖石破碎過程中的大變形產生的畸變在拉格朗日網格算法中因網格畸變而導致計算結果誤差較大的問題。應用LS-DYNA中的111號J-H-C材料作為模擬月巖材料的本構模型,從強度準則,損傷定義,狀態(tài)方程三個方面分析了模擬月巖本構模型損傷失效機理。通過觀察巖石破碎直至巖屑產生過程,仿真結果應力云圖及破碎效果,觀察到在改變切削齒結構參數(shù)時巖屑的形成狀態(tài)既有細碎巖屑亦有大塊剪切巖屑,驗證了力學模型理論分析中巖石破碎過程。通過微鉆實驗臺,對月巖模擬物進行微鉆實驗,結果表明鉆進過程產生的巖屑與碎巖機理理論分析表現(xiàn)出一致性,扭矩值的波動性與仿真結果中切削力值的波動性相符合。本文結合理論分析與有限元數(shù)值模擬分析,采用單因素法和正交法,從切削齒前角,寬度及切深,對月巖中較為常見的月海玄武巖進行切削仿真,分析單齒碎巖過程中的切削力,發(fā)現(xiàn)在前角角度為0°時,切削齒破碎模擬月巖形式多為壓碎切削,切削力的值較大。隨著前角增加破碎形式變?yōu)槔瓚图魬ζ扑?切削力有所降低,但對于不同前角拉應力和剪應力作用不同,通過對比分析得出,在切削齒寬為0.7cm,前角為10°時平均切削力和最大切削力最小。通過對磨損時切削齒的仿真結果表面磨損程度越高,切削阻力越大。對三種月巖材料進行仿真對比分析,對比其切削過程中切削力變化趨勢及破碎效果。
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P184.5;P634.41

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