基于LS-DYNA的鉆頭能效和疲勞強度研究

李國琳，吳冬宇，楊冬冬

(1.長春大學 計算機科學技術學院,長春 130022； 2.吉林大學 建設工程學院,長春 130026)

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基于LS-DYNA的鉆頭能效和疲勞強度研究

李國琳1，吳冬宇2，楊冬冬2

(1.長春大學 計算機科學技術學院,長春 130022； 2.吉林大學 建設工程學院,長春 130026)

摘要：提出通過大容腔結構改善潛孔錘鉆頭與沖錘質量比來提高液動潛孔錘鉆進效率的方法，并應用LS-DYNA顯示動力學分析手段，對常規潛孔錘鉆頭和新型大容腔結構潛孔錘鉆頭的碎巖效果及應力狀態進行仿真分析，結果表明：采用大容腔結構減小潛孔錘鉆頭的質量，調整鉆頭與沖錘質量比，可明顯提升碎巖效果；沖錘與鉆頭質量比由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的疲勞強度要求，數值模擬計算結果表明該鉆頭結構設計在施工設計中具備可行性。

關鍵詞：潛孔錘鉆頭；大容腔；質量比；應力；LS-DYNA

0引言

液動沖擊回轉鉆進技術在硬巖及復雜地層區域鉆進具有明顯優勢，具有鉆頭及鉆具使用壽命長、鉆進時不易卡堵、防偏斜效果好、高圍壓環境適應性好等優點，目前對于深孔鉆探作業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沖擊器鉆效問題的重要途徑。

基于應力波的能量傳遞理論，目前已進行過大量研究，Fairhurst 、Dutta等揭示了碰撞應力波對于能量傳遞的影響；杜小軍等認為鉆頭與沖錘質量比對鉆進效率有重要影響；張保良基于簡單的潛孔鑿巖沖擊器結構分析提出合理的鉆頭與沖錘質量比值區間；王亞輝在相同沖擊功情況下，對不同質量和速度的沖錘貫入效率進行實驗研究，對比發現沖錘質量對貫入度影響大于速度。上述研究表明，合理的鉆頭、沖錘質量配比對于提高能量傳遞效率、改善碎巖效果具有重要意義，然而除小口徑設計外，常規潛孔錘鉆頭與沖擊器沖錘的質量比遠大于1，大幅降低了能量傳遞效率，減少了實際碎巖的有效沖擊功。為此，提出大容腔鉆頭結構設計，即通過適當減小鉆頭中心質量實現與沖錘的質量匹配，達到提高能量利用率的目的。本文以φ216潛孔錘鉆頭為例，運用Ls-dyna數值模擬對三種空心結構鉆頭的能量傳遞效率進行分析，并進行了強度校核，探討鉆頭結構設計的合理性，以期為提高液動沖擊器能量利用率提供參考。

1LS-DYNA數值模擬

1.1基本控制方程

對于“鉆頭-沖錘-巖石”碰撞系統，分析方式可采用LS-DYNA動態顯示模塊，控制方程主算法為Lagrange有限元列式，其單元網格變形依附于材料特性。初始時刻質點坐標定為Xi，任意t時刻后坐標為xi，質點運動方程為：

xi=xi(Xi,t)(i=1，2，3……)

(1)

動量方程為

σij,j+ρfi=ρai

(2)

式中σij,j為柯西應力；fi為單位質量體積力；ai為加速度。

質量守恒方程

ρ=Jρo

(3)

式中ρ為當前質量密度；ρo為初始質量密度；J為雅克比行列式。

能量守恒方程

(4)

應用虛功原理，代入偏應力和壓力，式(2)可表示成如下矩陣形式：

(5)

其中N為插值矩陣；σ為應力向量；B為應變-位移矩陣；a為節點加速度向量；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φ216潛孔錘鉆頭，鉆頭質量為40.17kg;(b)為球頂大容腔潛孔錘鉆頭，即在普通潛孔錘基礎上對中心通道進行適度變徑和擴大，擴大后容腔前端為球形面，鉆頭質量為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計為平面，鉆頭質量為35.80kg。沖錘質量均為31.86kg。

(a)常規鉆頭 (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”碰撞網格模型

采用Hypermesh進行自適應網格劃分。圖2為“鉆頭-沖錘-巖石”碰撞網格模型。

由于鉆頭體結構復雜，在保證計算精度要求的前提下，對模型采用四面體單元進行劃分，單元均采用solid164實體單元，網格單元總數均在26萬左右，摩擦系數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關系，可用于模擬高應變率下巖石的大變形破壞以及侵徹過程中的力學行為。巖石參數如表1所示。

將巖石定義為無反射邊界的半無限體，由于重力加速度對高速運動的沖錘速度影響很小，因而在模擬計算中忽略重力影響。沖錘初始速度為4m/s, 計算時間步長設置為0.001s，計算總時間為0.1s。

表1　砂巖材料參數

ρ為材料密度；G為剪切模量；A、B、N、S、為常量；Pc為壓潰點壓力；Uc為Pc對應的體積應變；Pl為壓實點壓力；Ul為Pl對應的體積應變；K1、K2、K3為常量；D1、D2為損傷系數，T為壓力常量；Fc為準靜態屈服強度。

2模擬結果與分析

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階段運動的沖錘與鉆頭碰撞后，接觸面質點壓縮形成應力波，沖錘的能量便以應力波的形式傳遞給鉆頭，轉化為鉆頭的動能；隨后進入B階段，鉆頭與接觸的巖石碰撞進行能量交換，此時位于球齒邊緣的巖石在壓力作用下不斷發生彈-塑性形變直至超過塑性極限發生斷裂，并將壓力分布重新分配，在不考慮軸壓條件下，鉆頭在鉆進過程中達到最大鑿入深度后會有所反彈，反彈過程中會帶走一部分能量，因而巖石吸收能量在達到峰值后隨即下降；C階段反彈后的鉆頭與沖錘進行二次碰撞，將能量分配給沖錘，此時在下次沖擊作用前三者進入穩定狀態。

圖3　沖錘、鉆頭及巖石能量隨時間變化曲線

沖錘沖擊功均為35.5J的初始條件下，對于普通潛孔錘鉆頭，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，沖錘與鉆頭質量比對碰撞后的能量傳遞效率影響顯著，當沖錘與鉆頭的質量比由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41.13%，穩定后的吸能值相差最高可達67.17%，圖4為三種鉆頭的沖錘、鉆頭質量比與巖石吸能值關系曲線。由此可知，減小大直徑鉆頭的質量、調節鉆頭與沖錘質量比是改善碎巖效果和提高鉆進效率的有效手段。

圖4　質量比與巖石吸收沖擊能關系曲線

2.2應力強度分析

圖5為碰撞后三種鉆頭的應力分布云圖，由圖5可知，對于常規潛孔錘鉆頭，碰撞后應力主要集中在鉆頭尾部，而對于大容腔結構鉆頭，應力多分布于容腔變徑位置。普通潛孔錘鉆頭的最大應力為139MPa，球頂大容腔鉆頭的最大應力為231MPa，而平頂大容腔鉆頭的最大應力為239MPa，可見從施工安全考慮，常規鉆頭的安全系數最高，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相對較差。雖然大容腔結構的最大應力均大于普通潛孔錘鉆頭，但遠小于35CrMo疲勞極限431MPa，兩種鉆頭受力均可滿足應力強度要求。此外，為了保證鉆進效率，潛孔錘鉆頭一般在球齒發生一定磨損而鉆頭體未發生強度破壞的情況下進行更換，使用壽命通常為75.45m/只~124m/只，遠未達到107次疲勞碰撞周期，因而認為可滿足長期施工作業要求。

(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　三種潛孔錘鉆頭應力分布云圖

3結論

本文就常規潛孔錘鉆頭與沖擊器沖錘的質量比較大的問題，提出對鉆頭結構進行優化，并利用非線性動力學分析軟件LS-DYNA對改良的φ216潛孔錘鉆頭模型進行動力學仿真分析，得出以下結論：沖錘與鉆頭質量比對于碎巖效果具有重要影響，鉆頭與沖錘的質量比由0.79變化到0.91時，質量變化僅為12.5%，但巖石吸收的最大沖擊功以及碰撞結束后的最終吸能值變化分別可達41.13%和67.17%，碎巖效果顯著提高。兩種大容腔結構鉆頭的受力均滿足應力強度要求，由此證明通過設計大容腔結構減小鉆頭質量，改善鉆頭與沖錘質量比以提高碎巖鉆進效率的方法具備充分可行性。

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責任編輯：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：P634.4

文獻標志碼：A

文章編號：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。

基金項目：吉林省科技發展計劃資助項目(20140101206JC)

收稿日期：2015-11-16