新型偏心跟管钻具的设计与有限元分析

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1、新型偏心跟管钻具的设计与有限元分析罗宏保1宋军’赵建勤1黄晓铭2(1．中国地质科学院探矿工艺研究所2．安世亚太(科技)有限公司成都分公司)摘要：介绍了新型偏心跟管钻具的结构组成以及设计思路。针对跟管钻具工作环境与受力作用复杂的情况，通过对跟管钻具进行建模，设定各种载荷条件，运用有限元分析软件ANSYS11．0对跟管钻具的工况进行模拟，通过模拟分析结果来对钻具的设计进行改进，并在工程施工现场进行锚索孔钻孔试验，根据试验的结果看出，保证了复杂地层中锚索孔的施工质量，加快了施工进度，取得了良好的试验效果。关键字：偏心跟管有限元模拟

2、分析一、前言潜孔锤偏心跟管钻进技术是在潜孑L锤钻进技术上发展起来的一项新的钻进技术，它采用特殊的钻具实现套管的跟进，成功的解决了钻进过程中孑L壁的坍塌和冲洗介质漏失问题，是一种在松散破碎和砂卵石地层钻进中比较成功的钻进方法。在滑坡体或在公路和水电大坝的高边坡进行锚索施工，地层普遍松散破碎，目前锚索孔成孑L普遍采用潜孔锤偏心跟管钻进施工方法。但当孔深超过40米，孔径达①15卜①180ram时，该方法受钻进设备、钻具和管材等因素影响，效率降低，若遇孔内有漂砾，钻进难度更大，效率更低。为了解决这种大直径、长孑L段锚索孔的施工难的问

3、题，研制了一种新型的潜孔锤偏心跟管钻具，结构如图1所示。偏心跟管钻具由导正器、导向偏心复合钻头等两部分组成，构成跟管钻进系统的还有冲击器、管靴、套管等。此偏心跟管钻具是基于三件套与两件套的偏心跟管钻具的结构设计的，将三件套钻具结构中的偏心扩孔钻头和中心导向钻头二者合而为一，做成一个整体——导向偏心复合钻头。这样的设计使得其既具有两件套结构简单、装拆容易的特点，又继承了三件套中心钻头在钻进过程中可以起到导向的作用。同时，与三件套相比零件数量的减少，也减少了冲击器做功时，能量传递过程中的能量损失。在施工过程中，偏心跟管钻具承受苛

4、刻、复杂的工况。这些工况包括：冲击，扭转，与岩土的挤压，摩擦载荷等等，这些载荷使钻具处于非常复杂的应力状态。为了提高钻头产品的耐用性，采用有限元分析方法计算出钻头在各种载荷下的应力状态是非常有必要的。文中采用通用有限元软件ANSYSWorkbench．建立偏心跟管钻具的有限元分析模型，对偏心跟管钻具进行应力分析，认识和了解钻具承受的详细应力状态，有助于改进钻具的设计．提高钻具的可靠性。圈1．}型镐心艰管钻真站构二、有限元模型的建立21、钻具模型的建立度参敷的选取偏心跟管钻具的的几何模型在三维CAD软件pro／E中进行建立．然

5、后通过Pre／E与ANSYSY11．0的接口直接导人到ANSYSWorkbench软件(wB)，这样能避免重复生成模型的繁琐过程，节省不少时问。钻具几何模型如图2所示。钻具的材料是FFTl0合金钢(24SiinNOCrt协,A)材料的力学性能参数如下弹性模量：E=196000MPa目2偏d砧具几竹镬型2．2、边界条件和载荷定义偏心钻头在施工过程中．受到非常复杂的载荷工况．这些载荷包括：(1)、最大扭矩M=3500N-m(2)、最大钻压P=30KN(3)、冲击载荷，冲击频率f=850次，分．单次最大冲击能Ep=65ll,m(4

6、)、导向偏心复合钻头扩孔面受到岩土顶推力．大小未知。偏心跟管钻具在各种载荷下的响应是一个非常复杂的动力学过程，而钻具在工作过程中不存在共振的问题，因此在这里我们可以模拟出偏心跟管钻具的极限承载状况．将喇啦蓄这个过程简化成静力状态。在WB中．具体载荷定义如下，(1)最大扭矩最大扭矩是通过档块从导正器传递到导向偏心复台钻头上的，为了模拟这个效果，我们固定导正器．在导向偏心复合钻头的侧壁上施加M=3500N·m的扭矩。最大扭矩施加效果图如图3所示。导正器和导向偏心复合钻头的接触关系必须定义．而不是仅仅简化接触载荷．单独对导向偏心复

7、合钻头一个零件进行有限元的应力分析。因为，导正器和导向偏心复合钻头的接触力的传达方式和分布规律非常复杂，而这些又对计算结果影响很大，所以在分析时将导正器和导向偏心复台钻头放在一起作为整体进行分析。接触关系定义如图5所示。早正嚣花t邯住田定棚壁上花加扭矩田3扭矩施加蛀果(2)最大钻压和冲击载荷这两个载荷的最终作用效果是作用到导向偏心复合钻头上．在传递的过程中必定存在部分能量的损失，但是我们现在考虑的是一种极限静力学状态，所以将钻压和冲击载荷全部直接作用到复合钻头上。并且暂时定义最大钻压、冲击载荷与复合钻头扩孔面所受顶推力的舍力

8、为F=300KN。施加合力的作用效果如图4PJ／示。闷匹导正嚣磺鸠田定在夏合拈头上鞋加夸力图4备力施加垃果23、接触定史与目格划分[二盈硇田5接触关系定义WB能够根据要求自动对网格进行划分．在自动生成的网格基础上．可以根据需要．再对某些部位的网格进行细化，如图6所示划分的单元网格图。叁譬囤