复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究.pdf
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1、复合冲击作用下 PDC 钻齿破岩过程连续非连续数值模拟研究秦承帅1,孙洪斌2,李利平1,刘学港1,刘知辉1,冯春3,孙子正1,4(1.山东大学 齐鲁交通学院,山东 济南 250002;2.山东铁路投资控股集团有限公司,山东 济南 250001;3.中国科学院力学研究所,北京 100084;4.山东大学 深圳研究院,广东 深圳 518057)摘要:复合冲击钻进是兼具轴向和扭转 2 个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向扭转 2 个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续非
2、连续分析方法(Continuous Discontinuous ElementMethod,CDEM),建立基于共享节点的 FEM-DEM 岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于 JavaScript 二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟 PDC 单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的
3、切削力和破岩规律。结果表明:复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大,但钻齿所受的切削力也会同步增大;冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果,较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大;提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积,但钻齿所受的切削力也相对较大,不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化 PDC 钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。关键词:破岩;复合冲击钻进;PDC
4、钻齿;破岩机理;连续非连续分析方法;数值模拟中图分类号:TV554 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)09-0109-12ContinuousanddiscontinuousnumericalsimulationoftherockbreakingprocessofPDCdrillbitundercompositeimpactQIN Chengshuai1,SUN Hongbin2,LI Liping1,LIU Xuegang1,LIU Zhihui1,FENG Chun3,SUN Zizheng1,4(1.School of Qilu Transportation,Sha
5、ndong University,Jinan 250002,China;2.Shandong Railway Investment Holding GroupCo.,Ltd.,Jinan 250001,China;3.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100084,China;4.Shenzhen Research Institute,Shandong University,Shenzhen 518057,China)Abstract:Composite impact drilling is a novel r
6、ock-breaking technique that combines both axial and torsional impacts.To address the issues of complex failure mechanisms and unclear rock-breaking mechanisms under the axial-torsional 收稿日期:2023-05-27;修回日期:2023-07-06基金项目:山东铁投集团科研项目(TTKJ2021-06);深圳市科技计划项目(GJHZ20200731095006019);济南重工集团有限公司科研项目(JtZlgh-
7、2020-007);山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QE021)第一作者:秦承帅,1993 年生,男,山东临沂人,博士研究生,研究方向为地下工程智能建造与灾害防控.E-mail:通信作者:孙子正,1988 年生,男,山东临沂人,博士,副研究员,从事隧道地下工程智能建造与灾害防控领域研究.E-mail: 第 51 卷 第 9 期煤田地质与勘探Vol.51 No.92023 年 9 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONSep.2023秦承帅,孙洪斌,李利平,等.复合冲击作用下 PDC 钻齿破岩过程连续非连续数值模拟研究J.煤田地质与勘探,2023,51(9):109120.d
8、oi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0293QIN Chengshuai,SUN Hongbin,LI Liping,et al.Continuous and discontinuous numerical simulation of the rock breakingprocess of PDC drill bit under composite impactJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(9):109120.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0293impacts on rock by P
9、olycrystalline Diamond Compact(PDC)drill bits,a FEM-DEM rock model based on shared nodeswas established using the Continuous Discontinuous Element Method(CDEM),and the rationality of this computationalmodel was verified through laboratory uniaxial compression experiments.Besides,a composite impact m
10、otion model forsingle drill bit was built through the secondary development of JavaScript,and the composite impact rock-breaking pro-cess of single PDC drill bit under a sine function was simulated.In addition,the failure patterns of rock under compositeimpact were revealed by analyzing the formatio
11、n processes of rock fragments,radial shear cracks,lateral cracks,and lat-eral main cracks.Based on this,a mechanical model for the penetrating force of a single drill bit under the composite im-pact was established,and a continuous-discontinuous numerical algorithm suitable for the analysis of rock-
12、breakingdrilling under composite impact was developed.Meanwhile,the rock-breaking effects under different penetration depths,rake angles,axial impact velocities and torsional impact velocities were analyzed,and the penetrating force values androck-breaking patterns under different drill bit paramete
13、rs were discussed.The results show that:composite impact is aprocess that fully integrates the advantages of axial and torsional impacts,which optimizes the energy distribution of theentire drilling system.Under the composite impact,the rock in front of and below the drill bit is extensively fragmen
14、ted,achieving a“three-dimensional rock-breaking”effect and reducing the stick-slip effect of the drill bit.Definitely,thecontact area,the contact arc length and the distribution of impact energy between the drill bit and the rock formation arethe key factors affecting the efficiency of rock breaking
15、 by composite impact.Specifically,the rock breaking volume in-creases with the increasing drilling depth,but the penetrating force applied to the drill bit also increases simultaneously.The impact angle will affect the horizontal and vertical distribution of impact energy,and a greater volume of roc
16、kwould be broken by the drill bit at a small rake angle.Increasing the axial and torsional impact velocities could increasethe rock breaking volume,but a larger penetrating force may be applied to the drill bit,which is unfavorable to extendthe service life of the drill bit.Generally,the research re
17、sults are of referential significance for improving the rock-break-ing efficiency under different working conditions,optimizing the design parameters of PDC drill bit,and extending theservice life of the drill bit.Keywords:rock breaking;composite impact drilling;PDC drill bit;rock breaking mechanism
18、;Continuous-Discontinu-ous Element Method(CDEM);numerical simulation 定向钻进技术具有长距离精准穿越的优势,常应用于隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造等领域。伴随交通强国、“一带一路”倡议等国家重大战略的实施,我国已成为世界上隧道建设数量、规模最大和难度最高的国家。截至 2022 年底,我国已建成交通隧道、水工隧洞等逾 7.69 万 km1,定向钻进技术在隧道工程领域拥有广泛的发展前景。隧道工程地质勘察与灾害处置对钻进速度要求较高,作业迟缓会导致影响工期进度,特别是在灾害处置过程中易造成受灾影响范围扩大,引发次生灾
19、害等问题2-4。为提高定向钻在钻进过程中的破岩效率,国内外学者围绕轴向冲击、扭转冲击和复合冲击等新型破岩方式进行了研究。其中,复合冲击钻进是指兼具轴向和扭转 2 个维度冲击的新型破岩技术,复合冲击钻进可实现多元“立体破岩”效果5。在复合冲击钻具的研发方面,国内外众多学者研发了可实现往复扭转冲击和高频轴向冲击的复合冲击钻具6-8,该种钻具可在不改变其他设备参数的基础上通过施加高频低幅的冲击作用形式进一步提高钻进速率9-11。在钻头破岩机理方面,围绕岩石的破碎过程、裂纹的萌生和扩展规律以及岩石破碎的动力学特性等方面开展的研究较多12-14,如岩石在冲击作用下的破碎区域可分为岩石破碎区、岩石剥离区和
20、裂纹扩展区15-16,岩石的破碎过程通常是单个裂纹萌生和扩展的结果,且在卸荷阶段产生的侧向裂纹更利于岩石的去除等17-19。在快速钻进破岩数值模拟研究方面,当前,围绕岩石力学所开展的数值模拟分析方法主要分为两大类20-22:第一类是以连续介质力学为代表的分析方法,如有限元法、有限差分法等23-26,第二类是以非连续介质力学为代表的分析方法,如颗粒离散元法、块体离散元等27-28。当前,基于数值模拟方法开展的研究,多通过建立钻齿岩石动力冲击下的数值模型来分析岩石在不同钻进参数下的破坏效果11,29。但连续类或非连续类的分析方法都难以模拟岩石从连续介质到非连续介质的损伤演化过程30-32。综上,对
21、已有成果的调研发现,复合冲击钻进技术在提高钻进效率方面具有显著的优势。但当前的研究成果多基于岩石受单向冲击作用下开展的,而对于钻头在复合冲击作用下的破岩机理研究较少。笔者通过连续非连续分析方法,开展了聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamod Compact,PDC)单钻齿复合冲击破岩过程模拟。基于对岩石岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,分析钻齿的轴向、扭向冲击参数与齿岩接触参数对破岩效果的影响及冲击能量的分布效果,以期对提高破岩效 110 煤田地质与勘探第 51 卷率、优化钻齿设计参数、延长钻具使
22、用寿命等提供借鉴。1连续非连续分析计算模型与实验验证采用连续非连续单元法,通过建立基于共享节点的 FEM-DEM 耦合模型,研究岩石在复合冲击作用下从连续介质到非连续介质的损伤演化过程,并进一步分析复合冲击作用参数对岩石的破坏影响规律。1.1连续非连续单元法理论基础基于连续非连续单元法的理论基础为广义的拉格朗日方程,其能量体系10表达式为:ddt(L uj)Luj=Qj(j=1,2,k)(1)Luj ujQjL=m+e+fmef式中:为拉格朗日函数;为单元的节点位移;为单元的节点速度;为系统非保守力;t 为时间。拉格朗日函数可写为,其中、分别为系统动能、弹性能和势能。广义拉格朗日方程表达式最终
23、可表示为:M u(t)+C u(t)+Ku(t)=F(t)(2)MCKF u(t)u(t)u(t)式中:为单元质量矩阵;为单元的阻尼矩阵;为单元的刚度矩阵;为外部荷载向量;为单元节点的加速度;为单元节点的速度;为节点的位移。基于 GDEM 软件 BlockDyna 和 PDyna 模块开展研究。GDEM-BlockDyna 模块中包含了块体和界面2 个概念,计算模型的构成如图 1 所示。块体是由一个或多个连续介质单元组成,可用于表征连续介质体的弹性、塑性等物理特征。界面包括真实界面和虚拟界面两类:真实界面指 2 个块体之间真实存在的界面,一般为固体材料的分界面、结构面和接触面等;虚拟界面指存在
24、于块体单元中的潜在扩展通道,当块体不发生破坏时,虚拟界面仅起到传递力的作用11。颗粒动力学仿真系统(GDEM-PDyna),以颗粒离散元方法为主。颗粒运动及受力状态如图 2 所示,通过颗粒间的合力及合力矩的计算,进一步计算颗粒的运动及转动状态。颗粒的合力及合力矩的计算公式为:Fi=FDAMPi+FEXTi+Nj=1(Fij+FijDAMP)Mi=MDAMPi+MEXTi+Nj=1rijcFij(3)FiFDAMPiFEXTiFijFijDAMPMiMDAMPiMEXTincij=1rijcFij式中:为颗粒 i 所受的合力;为颗粒 i 所受的全局阻尼力;为施加在颗粒 i 上的外力;为颗粒 i和
25、颗粒 j 间的接触力;为颗粒 i 和颗粒 j 间的接触阻尼力;为颗粒 i 所受的合力矩;为颗粒 i所受的全局阻尼力矩;为颗粒 i 所受外力矩;为颗粒间的接触阻尼的力矩;N 为颗粒数。由颗粒合力及合力矩可计算颗粒的运动状态,颗粒的运动包含平动和转动 2 种,平动运动方程具体可表示为:uni=Fni/mi uni=un1i+unituni=un1i+unit(4)uni uni un1iuniun1it式中:为颗粒 i 第 n 计算时步时质心加速度;分别为颗粒 i 第 n 和第 n1 计算时步时质心速度;分别为颗粒 i 第 n 和第 n1 计算时步时质心位移;mi为颗粒质量;为时间增量。(a)颗粒
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