瞬态接触冲击的理论研究与潜孔锤钻柱系统建模分析

论文摘要

气动潜孔锤钻进过程的动力学系统涉及瞬态接触冲击问题,在系统数值分析和研究中,需要正确合理地设置冲击接触面之间的相互关系,才能揭示冲击的动力学过程与变形,本文从Hertz接触碰撞特征入手,分析等效弹簧模型理论公式的局限性,计算得到了屈曲边界理论条件和临界速度,并用数值分析的方法进行验证,指出了其适用范围,具体工作内容如下:1、通过一维弹性波理论研究了不同接触形式两柔性杆轴向碰撞模型,Hertz接触碰撞屈曲变形影响碰撞过程。针对Hertz接触的特殊性,以接触区和屈曲区构成的封闭状态为基础建立屈曲边界条件,通过在MATLAB中解得在给定较大速度下临界屈曲时冲锤的曲率半径值,使用LS-DYNA对不同曲率半径的冲锤与钎杆的碰撞过程对比分析,验证了屈曲边界条件的正确性,屈曲区封闭条件作为屈曲临界条件比用简单强度理论更有工程价值。碰撞过程数值分析表明屈曲边界条件在解决低速碰撞问题时具有局限性。2、对低速碰撞时数值解与等效弹簧模型理论解出现的差异做了进一步分析,低速碰撞应力波对接触碰撞过程影响较小,碰撞力主要受局部变形的影响。采用了准静态Hertz碰撞的理论方法,研究了碰撞变形时的不同观点得到相应的临界速度,数值分析揭示Hertz接触低速碰撞时,准静态Hertz封闭屈曲区临界速度与柔体碰撞数值分析具有一致性。3、使用LS-DYNA在潜孔锤钻进系统模型的基础上添加了钻柱系统,针对气动潜孔锤与钻柱系统中刚柔耦合冲击振动模型存在的问题:如何准确定义活塞在LS-DYNA中的运动,如何施加钻柱系统的重力,活塞、钻头、岩石和钻柱之间的接触算法和刚柔转换设置等进行了初步探讨,为下一步在LS-DYNA中分析潜孔锤钻柱系统的振动响应做了前期准备工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 气动潜孔锤钻进系统的研究现状与存在的问题
• 1.2.1 接触碰撞的研究概况
• 1.2.2 气动潜孔锤钻柱系统的研究概况
• 1.3 本文的研究思路及研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 Hertz 接触碰撞屈曲边界条件研究
• 2.1 引言
• 2.2 一维弹性杆的波动分析
• 2.3 弹性杆平面接触碰撞模型
• 2.4 弹性杆Hertz 接触碰撞模型
• 2.4.1 当量线性弹簧接触理论
• 2.5 屈曲边界条件的建立
• 2.5.1 强度理论
• 2.5.2 Hertz 接触半径理论计算
• 2.5.3 弹性半空间体边界上各点的应力计算
• 2.5.4 Hertz 接触屈曲半径理论计算
• 2.5.5 屈曲边界理论条件
• 2.6 Hertz 接触碰撞屈曲边界的数值分析
• 2.6.1 求解临界屈曲时冲锤的曲率半径
• 2.6.2 Hertz 接触碰撞数值分析
• 2.7 不同速度下冲锤与钎杆碰撞的数值分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 低速碰撞的准静态分析与临界速度
• 3.1 引言
• 3.2 撞击系数对应力波的影响
• 3.3 Hertz 接触碰撞的准静态分析
• 3.4 Hertz 接触碰撞的临界速度分析
• 3.4.1 以第一强度理论为判据的临界速度理论分析
• 3.4.2 以第三强度理论单点屈曲的临界速度理论分析
• 3.4.3 以第四强度理论屈曲封闭的临界速度理论分析
• 3.5 对低速碰撞临界速度的数值分析
• 3.5.1 单元网格划分对结果的影响
• 3.5.2 不同速度下两球碰撞的数值分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 潜孔锤钻柱系统建模方法分析
• 4.1 引言
• 4.2 潜孔锤钻柱刚柔耦合动力学模型
• 4.2.1 实体模型
• 4.2.2 系统各部分材料模型设置
• 4.2.3 不同长度钻柱的模态分析
• 4.2.4 单元选择及网格划分
• 4.2.5 边界条件的设置分析
• 4.2.5.1 钻柱边界条件
• 4.2.5.2 钻压的施加
• 4.2.5.3 岩石边界条件的设置
• 4.2.6 驱动活塞运动作用力的设置
• 4.2.7 接触算法及接触条件设置
• 4.2.8 刚体与变形体的转换设置
• 4.3 潜孔锤冲击混凝土钻柱系统纵向振动数值分析
• 4.4 计算中存在的问题及解决方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文的主要工作与结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 硕士学位期间参与项目