李國琳，吳冬宇，楊冬冬

(1.長春大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長春 130022； 2.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026)

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基于LS-DYNA的鉆頭能效和疲勞強(qiáng)度研究

李國琳1，吳冬宇2，楊冬冬2

(1.長春大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長春 130022； 2.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026)

摘要：提出通過大容腔結(jié)構(gòu)改善潛孔錘鉆頭與沖錘質(zhì)量比來提高液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效率的方法，并應(yīng)用LS-DYNA顯示動(dòng)力學(xué)分析手段，對(duì)常規(guī)潛孔錘鉆頭和新型大容腔結(jié)構(gòu)潛孔錘鉆頭的碎巖效果及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：采用大容腔結(jié)構(gòu)減小潛孔錘鉆頭的質(zhì)量，調(diào)整鉆頭與沖錘質(zhì)量比，可明顯提升碎巖效果；沖錘與鉆頭質(zhì)量比由0.79變化到0.91，巖石碰撞過程中吸收的最大沖擊能變化率以及碰撞結(jié)束后的最終吸能變化率分別為41.13%和67.17%；兩種大容腔潛孔錘鉆頭的受力均滿足長期作業(yè)的疲勞強(qiáng)度要求，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明該鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在施工設(shè)計(jì)中具備可行性。

關(guān)鍵詞：潛孔錘鉆頭；大容腔；質(zhì)量比；應(yīng)力；LS-DYNA

0引言

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在硬巖及復(fù)雜地層區(qū)域鉆進(jìn)具有明顯優(yōu)勢，具有鉆頭及鉆具使用壽命長、鉆進(jìn)時(shí)不易卡堵、防偏斜效果好、高圍壓環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前對(duì)于深孔鉆探作業(yè)有著不可替代的重要作用。為獲得較好的碎巖效果，通過提高能量利用率以提升能量輸出是解決液動(dòng)沖擊器鉆效問題的重要途徑。

基于應(yīng)力波的能量傳遞理論，目前已進(jìn)行過大量研究，F(xiàn)airhurst 、Dutta等揭示了碰撞應(yīng)力波對(duì)于能量傳遞的影響；杜小軍等認(rèn)為鉆頭與沖錘質(zhì)量比對(duì)鉆進(jìn)效率有重要影響；張保良基于簡單的潛孔鑿巖沖擊器結(jié)構(gòu)分析提出合理的鉆頭與沖錘質(zhì)量比值區(qū)間；王亞輝在相同沖擊功情況下，對(duì)不同質(zhì)量和速度的沖錘貫入效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比發(fā)現(xiàn)沖錘質(zhì)量對(duì)貫入度影響大于速度。上述研究表明，合理的鉆頭、沖錘質(zhì)量配比對(duì)于提高能量傳遞效率、改善碎巖效果具有重要意義，然而除小口徑設(shè)計(jì)外，常規(guī)潛孔錘鉆頭與沖擊器沖錘的質(zhì)量比遠(yuǎn)大于1，大幅降低了能量傳遞效率，減少了實(shí)際碎巖的有效沖擊功。為此，提出大容腔鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即通過適當(dāng)減小鉆頭中心質(zhì)量實(shí)現(xiàn)與沖錘的質(zhì)量匹配，達(dá)到提高能量利用率的目的。本文以φ216潛孔錘鉆頭為例，運(yùn)用Ls-dyna數(shù)值模擬對(duì)三種空心結(jié)構(gòu)鉆頭的能量傳遞效率進(jìn)行分析，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，探討鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以期為提高液動(dòng)沖擊器能量利用率提供參考。

1LS-DYNA數(shù)值模擬

1.1基本控制方程

對(duì)于“鉆頭-沖錘-巖石”碰撞系統(tǒng)，分析方式可采用LS-DYNA動(dòng)態(tài)顯示模塊，控制方程主算法為Lagrange有限元列式，其單元網(wǎng)格變形依附于材料特性。初始時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)定為Xi，任意t時(shí)刻后坐標(biāo)為xi，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為：

xi=xi(Xi,t)(i=1，2，3……)

(1)

動(dòng)量方程為

σij,j+ρfi=ρa(bǔ)i

(2)

式中σij,j為柯西應(yīng)力；fi為單位質(zhì)量體積力；ai為加速度。

質(zhì)量守恒方程

ρ=Jρo

(3)

式中ρ為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρo為初始質(zhì)量密度；J為雅克比行列式。

能量守恒方程

(4)

應(yīng)用虛功原理，代入偏應(yīng)力和壓力，式(2)可表示成如下矩陣形式：

(5)

其中N為插值矩陣；σ為應(yīng)力向量；B為應(yīng)變-位移矩陣；a為節(jié)點(diǎn)加速度向量；b為體力；t為牽引力。

1.2碰撞模型及邊界條件

圖1為通過Solidworks軟件建立的三種φ216潛孔錘鉆頭簡化模型，(a)為常規(guī)φ216潛孔錘鉆頭，鉆頭質(zhì)量為40.17kg;(b)為球頂大容腔潛孔錘鉆頭，即在普通潛孔錘基礎(chǔ)上對(duì)中心通道進(jìn)行適度變徑和擴(kuò)大，擴(kuò)大后容腔前端為球形面，鉆頭質(zhì)量為35.04 kg；(c)為平底大容腔潛孔錘鉆頭，變徑部分體積與(b)鉆頭相同，但考慮加工方便前端面設(shè)計(jì)為平面，鉆頭質(zhì)量為35.80kg。沖錘質(zhì)量均為31.86kg。

(a)常規(guī)鉆頭 (b)球頂大容腔潛孔錘鉆頭 (c)平底大容腔潛孔錘鉆頭圖1　φ216潛孔錘鉆頭幾何模型

圖2　“沖錘-鉆頭-巖石”碰撞網(wǎng)格模型

采用Hypermesh進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。圖2為“鉆頭-沖錘-巖石”碰撞網(wǎng)格模型。

由于鉆頭體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在保證計(jì)算精度要求的前提下，對(duì)模型采用四面體單元進(jìn)行劃分，單元均采用solid164實(shí)體單元，網(wǎng)格單元總數(shù)均在26萬左右，摩擦系數(shù)0.1。沖錘和鉆頭的材料均為35CrMo，彈性模量206 Gpa，密度7.85 kg/m3,泊松比0.3。

巖石模型采用HJC(“Holmsquist-Johnson concrete”)，該模型能夠較好反映巖石沖擊壓縮下的本構(gòu)關(guān)系，可用于模擬高應(yīng)變率下巖石的大變形破壞以及侵徹過程中的力學(xué)行為。巖石參數(shù)如表1所示。

將巖石定義為無反射邊界的半無限體，由于重力加速度對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的沖錘速度影響很小，因而在模擬計(jì)算中忽略重力影響。沖錘初始速度為4m/s, 計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置為0.001s，計(jì)算總時(shí)間為0.1s。

表1　砂巖材料參數(shù)

ρ為材料密度；G為剪切模量；A、B、N、S、為常量；Pc為壓潰點(diǎn)壓力；Uc為Pc對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變；Pl為壓實(shí)點(diǎn)壓力；Ul為Pl對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變；K1、K2、K3為常量；D1、D2為損傷系數(shù)，T為壓力常量；Fc為準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度。

2模擬結(jié)果與分析

2.1能量傳遞影響

圖3為碰撞后的沖錘、鉆頭和巖石能量變化曲線，A階段運(yùn)動(dòng)的沖錘與鉆頭碰撞后，接觸面質(zhì)點(diǎn)壓縮形成應(yīng)力波，沖錘的能量便以應(yīng)力波的形式傳遞給鉆頭，轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)能；隨后進(jìn)入B階段，鉆頭與接觸的巖石碰撞進(jìn)行能量交換，此時(shí)位于球齒邊緣的巖石在壓力作用下不斷發(fā)生彈-塑性形變直至超過塑性極限發(fā)生斷裂，并將壓力分布重新分配，在不考慮軸壓條件下，鉆頭在鉆進(jìn)過程中達(dá)到最大鑿入深度后會(huì)有所反彈，反彈過程中會(huì)帶走一部分能量，因而巖石吸收能量在達(dá)到峰值后隨即下降；C階段反彈后的鉆頭與沖錘進(jìn)行二次碰撞，將能量分配給沖錘，此時(shí)在下次沖擊作用前三者進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3　沖錘、鉆頭及巖石能量隨時(shí)間變化曲線

沖錘沖擊功均為35.5J的初始條件下，對(duì)于普通潛孔錘鉆頭，碰撞過程中巖石吸收的最大沖擊功為12.5J，碰撞結(jié)束后為2.2J；球頂大容腔潛孔錘鉆頭巖石吸收的沖擊功最大值為21.6J，穩(wěn)定后為6.7J；平頂大容腔潛孔錘鉆頭巖石吸收的沖擊功峰值19.1J，最終吸能值為6.0J。由此可知，沖錘與鉆頭質(zhì)量比對(duì)碰撞后的能量傳遞效率影響顯著，當(dāng)沖錘與鉆頭的質(zhì)量比由0.79變化到0.91，巖石碰撞過程中吸收的最大沖擊功變化可達(dá)41.13%，穩(wěn)定后的吸能值相差最高可達(dá)67.17%，圖4為三種鉆頭的沖錘、鉆頭質(zhì)量比與巖石吸能值關(guān)系曲線。由此可知，減小大直徑鉆頭的質(zhì)量、調(diào)節(jié)鉆頭與沖錘質(zhì)量比是改善碎巖效果和提高鉆進(jìn)效率的有效手段。

圖4　質(zhì)量比與巖石吸收沖擊能關(guān)系曲線

2.2應(yīng)力強(qiáng)度分析

圖5為碰撞后三種鉆頭的應(yīng)力分布云圖，由圖5可知，對(duì)于常規(guī)潛孔錘鉆頭，碰撞后應(yīng)力主要集中在鉆頭尾部，而對(duì)于大容腔結(jié)構(gòu)鉆頭，應(yīng)力多分布于容腔變徑位置。普通潛孔錘鉆頭的最大應(yīng)力為139MPa，球頂大容腔鉆頭的最大應(yīng)力為231MPa，而平頂大容腔鉆頭的最大應(yīng)力為239MPa，可見從施工安全考慮，常規(guī)鉆頭的安全系數(shù)最高，球頂大容腔潛孔錘鉆頭次之，平頂大容腔潛孔錘鉆頭受力狀態(tài)相對(duì)較差。雖然大容腔結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均大于普通潛孔錘鉆頭，但遠(yuǎn)小于35CrMo疲勞極限431MPa，兩種鉆頭受力均可滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。此外，為了保證鉆進(jìn)效率，潛孔錘鉆頭一般在球齒發(fā)生一定磨損而鉆頭體未發(fā)生強(qiáng)度破壞的情況下進(jìn)行更換，使用壽命通常為75.45m/只~124m/只，遠(yuǎn)未達(dá)到107次疲勞碰撞周期，因而認(rèn)為可滿足長期施工作業(yè)要求。

(a)普通潛孔錘鉆頭 (b)球頂大容腔鉆頭(c)平頂大容腔鉆頭圖5　三種潛孔錘鉆頭應(yīng)力分布云圖

3結(jié)論

本文就常規(guī)潛孔錘鉆頭與沖擊器沖錘的質(zhì)量比較大的問題，提出對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并利用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA對(duì)改良的φ216潛孔錘鉆頭模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出以下結(jié)論：沖錘與鉆頭質(zhì)量比對(duì)于碎巖效果具有重要影響，鉆頭與沖錘的質(zhì)量比由0.79變化到0.91時(shí)，質(zhì)量變化僅為12.5%，但巖石吸收的最大沖擊功以及碰撞結(jié)束后的最終吸能值變化分別可達(dá)41.13%和67.17%，碎巖效果顯著提高。兩種大容腔結(jié)構(gòu)鉆頭的受力均滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，由此證明通過設(shè)計(jì)大容腔結(jié)構(gòu)減小鉆頭質(zhì)量，改善鉆頭與沖錘質(zhì)量比以提高碎巖鉆進(jìn)效率的方法具備充分可行性。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Research on Energy Efficiency and Fatigue Strength of DTH Hammer Bit Based on LS-DYNA

LI Guolin1，WU Dongyu2，YANG Dongdong2

(1.College of Computer Science and Technology, Changchun University, Changchun 130022, China；2. School of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

Abstract：A method is presented for promoting the efficiency of DTH hammer through the improvement of the mass ratio between DTH hammer and impact hammer by the large cavity structure and LS-DYNA is applied to show the dynamic analysis approach, which makes the simulation analysis on the rock fragmentation effect and stress state between DTH hammer bit and the bit with large cavity structure. The results show that the large cavity structure can reduce the mass of DTH hammer bit and adjust the mass ratio of DTH hammer bit and the impact hammer, which can obviously improve rock fragmentation efficiency; The mass ratio changes from 0.79 to 0.79, the biggest impact energy change rate in the process of rock collision and the ultimate absorptive energy change rate after the collision respectively are 41.13% and 67.17%; The force of two large cavity of DTH hammer bits meet the requirement of long-term operation of fatigue strength, and the calculation results show that the new structure design of DTH hammer bit has the feasibility in the construction design.

Keywords：DTH hammer bit；large cavity；mass ratio；stress；LS-DYNA

中圖分類號(hào)：P634.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-3907(2016)02-0018-05

作者簡介：李國琳(1976-)，女，吉林長春人，講師，碩士，主要從事算法分析、有限元分析等方面的研究。

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(20140101206JC)

收稿日期：2015-11-16