| 超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析 |
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| 引用本文： | 赵研,张丛珊,高科,张增增,赵大军,李家晟,吕晓姝,平天才.超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析[J].探矿工程,2021,48(4):11-20. |
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| 作者姓名： | 赵研 张丛珊 高科 张增增 赵大军 李家晟 吕晓姝 平天才 |
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| 作者单位： | 吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026,吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026;阿尔托大学工程学院，芬兰 埃斯波 00076,泸西县自然资源局，云南 红河州 652400 |
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| 基金项目： | 国家自然科学基金资助项目“具有优化自锐自修复性能的仿生钻头材料的新理论及设计”(编号：41972324)；国家重点研发计划项目子任务“仿生耦合双钻头自平衡钻具系统研究”(编号：2018YFC0808201-4) |
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| 摘 要： | PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点，在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术，由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此，基于线型Drucker-Prager模型，利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型，分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律，比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明，当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中，破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势，即存在一个最优频率位于25~30 kHz间，使破岩比功最小，钻进效率最高；超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同，主要以脆性破坏为主，其切屑形成过程共分为4个阶段，且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显；当激励频率接近岩石固有频率时，超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%，并更易产生大块岩屑，使岩石产生更多体积破碎，从而提高破岩效率。
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| 关 键 词： | PDC齿 超声波钻进 切削力 有限元 ABAQUS |
| 收稿时间： | 2020/9/8 0:00:00 |
| 修稿时间： | 2020/9/14 0:00:00 |
Rock breaking simulation analysis for the ultrasonic vibration-assisted PDC cutter |
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| Abstract: | |
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| Keywords: | PDC cutter ultrasonic drilling cutting force finite element ABAQUS |
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