基于虚拟样机技术的动压反馈式液动冲击器结构设计与动态仿真分析

论文摘要

这是一篇以液动射流冲击器为研究对象,介绍基于虚拟样机技术和CFD技术的动态仿真分析方法在揭示工作机理、描述工作过程、预测使用性能等方面研究工作中的具体应用及相关结论的文章。液动射流冲击器是一种以液体作为工作介质实现能量的传递与转换、进行旋冲钻进最为重要的井下工具之一,同时也是我国拥有自主知识产权、在工作机理与使用性能方面皆有独到之处的多用途钻探机具。经过几代学者的研究,此类冲击器目前已形成可以成熟应用的系列化产品;但在使用过程中仍出现单次冲击功较小、能量利用率低、使用寿命短等缺陷,不能满足深孔钻进条件下长时间可持续工作的需求,且节能特性不佳。为此,必须从结构及工作原理上进行改进和创新。液动射流冲击器虽具有简单的动力机构,但射流元件的流控机理却较为复杂,为探讨新产品结构及新工作机理的合理性和可行性,本文首先应用CFD技术对射流元件内部流场进行了大量分析工作,重点考察了各孔道间的流量分配规律和压力恢复情况。然后据此建立射流元件与冲击机构的动态仿真分析模型,进而应用虚拟样机技术对所设计的新型液动射流冲击器进行了动态仿真分析。最后通过仿真分析结果及其与以往实验数据的参照对比,验证了新型液动射流冲击器具有更加合理的结构,更加合理的工作方式以及更加优越的工作性能。此外,研究过程中探索了以现代计算机辅助设计技术(CAD)、计算流体动力学分析技术(CFD)与机械系统动力学仿真技术、流体传动与控制技术相结合,进行液动射流冲击器虚拟样机研制及动态仿真分析的具体步骤,为液动冲击回转钻进设备与机具的研究工作提供了新的方法。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 绪论
• 1.1 冲击回转钻进破岩机具研究及应用情况简介
• 1.2 现有结构液动射流冲击器若干关键技术问题分析
• 1.3 液动射流冲击器仿真分析方法综述
• 1.4 虚拟样机技术及其发展应用情况简介
• 1.5 应用虚拟样机技术进行液动射流冲击器仿真分析的基本方案及预期目标
• 第2章 射流元件内部流动机理及稳态CFD分析
• 2.1 双稳附壁射流元件作用原理、结构及流动特征
• 2.2 附壁射流CFD分析的理论基础
• 2.3 射流元件性能参数及内部流场的几何结构
• 2.4 射流元件内部流场CFD分析的基本工作流程
• 2.5 新型射流元件内部流场的稳态CFD分析
• 第3章 液动射流冲击机构动态仿真模型的建立
• 3.1 射流式液动冲击机构耦合分析模型的建立
• 3.2 瞬态CFD分析及动网格技术简介
• 3.3 射流元件反馈控制特性液电模拟
• 3.4 液动冲击机构动态仿真模型的建立
• 第4章 新型液动射流冲击器结构设计及动态仿真分析
• 4.1 SC系列液动射流冲击器的结构改进设计
• 4.2 蓄能式液动射流冲击器结构设计与工作原理分析
• 4.3 影响液动射流冲击器工作特性的其他因素
• 4.4 基于虚拟样机技术的液动射流冲击器动态仿真分析
• 第5章 液动射流冲击器的实验研究及主要结论
• 5.1 液动射流冲击器实验研究的历史与现状
• 5.2 液动射流冲击器增设蓄能装置的实验研究
• 5.3 射流元件PIV实验与分体式液动射流冲击机构试验
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究结论综述
• 6.2 模型试验及最新研究进展
• 6.3 集成化仿真分析环境的构建及多物理场协同仿真
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要科研成果
• 致谢