冲击挤密潜孔锤外表减阻结构优化设计及试验研究

论文摘要

冲击挤密潜孔锤钻进技术集冲击钻进、振动钻进、空气钻进及无排渣方法的优点于一体,钻进效率高,成孔质量好,是一种高效环保的浅层地热孔钻进技术。钻头结构形式,冲击挤密潜孔锤外管形状设计,尾部机构优化都直接影响钻进效率,是完善和推广该项技术的关键所在。本文以LS-DYNA显式动力分析为基础,对比了优化九阶梯钻头和凸轮旋压钻头在相同冲击荷载作用,相同计算时间,相同地层条件下的钻进深度,为凸轮旋压钻头挤土机理提供了理论依据,并在此基础上对凸轮旋压钻头做了机构改进,在原结构基本不变的条件下设计了螺旋球齿型和反S型切削刃凸轮旋压钻头,提高了钻进效率。对冲击挤密潜孔锤外管机构做了全新的结构设计,首先借鉴振动沉管桩增加管靴易入土工程实例,利用ANSYS/LS-DYNA显式动力分析有限元软件模拟分析了冲击挤密潜孔锤一段粗径外管粗径段出刃量锥角,长径比,两段粗径外管粗径段出刃量锥角,长径比,粗径位置,三段粗径外管的粗径段出刃量锥角,长径比,粗径段数目及位置等参数对钻进效率的影响,设计加工了多组活套式粗径外管,并进行了对比性室外冲击试验,对比分析确定了各情形下粗径外管的最优参数,验证了数值模拟的合理性和可靠性,为生产试验提供可靠的理论依据。在冲击挤密潜孔锤头部机构改进,中部机构重新设计的基础上,对其尾部机构的后轴套及花键轴做了优化设计,设计了花键轴底端凸肩装置,实现了两个零件轴向锁紧定位,解决了原冲击挤密潜孔锤工作不连续,效率低下的问题,并将表面仿生设计理论引入冲击挤密潜孔锤外部机构表面设计中,得到头部仿生非光滑表面设计宜采用凹坑表面仿生形态,中部和尾部仿生非光滑表面设计宜采用凹槽表面仿生形态,优化组合了一套完整的高效环保浅层地热孔冲击挤密潜孔锤钻进技术。

论文目录

• 内容提要
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 冲击挤密潜孔锤钻进技术简介
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 主要研究内容和研究方法
• 本章小结
• 第2章 冲击挤密作用下土体变形机理
• 2.1 动荷载下土的基本理论
• 2.2 非线性分析及LS-DYNA显式算法基本理论
• 2.3 模拟钻头和外管与土体之间作用的可行性分析
• 2.4 ANSYS模拟分析钻头和外管与土体之间作用的关键问题
• 2.5 非线性有限元模型的建立
• 本章小结
• 第3章 凸轮旋压钻头数值模拟及试验研究
• 3.1 冲击挤密钻进过程中"桩效应"成因
• 3.2 凸轮旋压钻头数值模拟及分析
• 3.3 凸轮旋压钻头结构改进设计
• 本章小结
• 第4章 外管结构数值模拟及设计
• 4.1 粗径外管数值模拟
• 4.2 粗径外管设计
• 本章小结
• 第5章 外管结构试验研究
• 5.1 试验目的与试验内容
• 5.2 试验条件及试验过程
• 5.3 试验结果及数据处理
• 本章小结
• 第6章 冲击挤密潜孔锤优化设计组合
• 6.1 冲击挤密潜孔锤尾部机构优化设计
• 6.2 冲击挤密潜孔锤外表面仿生设计
• 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的文章及参与的科研项目
• 致谢