岩石刀具齿条面应力分布及波动周期

摘要

齿条端面应力场的分布对刀具的性能和使用寿命有着重要的影响。利用有限元软件Abaqus建立了岩石切削刀具应力的动态仿真模型，研究了齿条端面的局部应力分布及其影响因素。得出岩石刀具齿条面局部应力表现出明显的周期性波动特征，在相同的切削条件下，刀具上各点的波动周期保持不变。应力波动周期随切削速度的增大而减小。切削深度和刀具背角对应力波动周期无明显影响。而切削深度和背角对刀具齿条面上各点的平均应力分布有明显的影响。即背角和切削深度的增加会使齿条端面的最大应力点向上移动到刀尖。

1.介绍

岩石钻探技术广泛应用于采矿、油气开发等领域，近年来在行星取样、深海钻探、地热工程钻探等领域的应用也越来越广泛[1- - - - - -5］．由于切削岩石的机理非常复杂，尽管应力计算理论的研究很多，但仍难以准确估计刀具的应力[6- - - - - -12.］．

PDC钻头在岩石钻井中的扭矩实验结果表明，钻头扭矩的变化与钻头最大侧向磨损宽度一致[13.］．Teale对岩石楔刀在不同角度下的切削力进行了测量，结果表明，当刀片楔角减小时，刀具的整体载荷增大，切削稳定性降低[14.］．Huang等对隧道掘进机的整体切削力进行了测量和分析;结果表明，刀盘整体切削力随安装半径的增大而减小，随转速的增大而线性增大[15.］．然而，由于测量方法的技术限制，很难系统地揭示切削参数与切削齿受力之间的关系。

在建立单齿岩石切削数值模拟的基础上，Kuang等研究了切削前角、侧斜角、齿径与切削深度和切削力的关系。结果与实验结果吻合较好[16.］．欧阳等通过LS-DYNA模拟实验研究了岩石的切削力。结果表明，切削厚度、切削角度、切削宽度和岩石性质对切削力有显著影响[17.］．李等人。利用有限元法模拟和分析了岩切割过程中TBM刀具牙齿的整体应力。结果表明，最大切割力不断变化，与岩石的剪切强度密切相关[18.］．岩石切割过程中还采用了分子动力学仿真方法，发现切削工具与芯片之间的摩擦力随着耙角和切割深度的增加而增加[19.］．Meneze等通过LS-DYNA模拟分析发现切削速度对岩石刀具整体切削力的影响不明显[20.］．目前的模拟研究主要集中在切削齿的整体受力上，而对岩石切削过程中应力分布特征的研究文献较少。然而，刀具上的局部应力分布直接影响刀具的失效类型、损伤位置和使用寿命。研究岩石切削刀具应力分布规律对研究刀具损伤机理、改进刀具设计具有重要意义[21.- - - - - -23.］．

本文基于有限元方法建立了非刚性切削齿的岩石切削模型。研究了岩石刀具切削表面应力的分布和波动规律，为提高岩石钻进效率和刀具寿命提供了有说服力的参考。

2.仿真模型及参数

2．1.岩石损伤模型与切割分离准则

采用Drucker-Prager模型描述岩石的本构关系。模型的屈服准则和塑性势可表示为[24.- - - - - -26.］ 在哪里t为偏应力，p为等效压应力，β线性屈服面倾角是否与摩擦角有关的材料,为塑性势函数，是膨胀角，问是米塞斯等效应力，k为三轴抗拉强度与三轴抗压强度之比，r偏应力的第三个不变量是和吗d是材料的内聚力。

岩石破裂过程中的单元破坏主要是由剪切和压缩两种作用引起的。引入塑性损伤破坏模型来表征元件的破坏(图)1）.为不考虑材料损伤的有效应力张量，D损害是可变的吗E为弹性模量。当发生岩石损伤现象时是初始压力。等效塑性应变对应于 ．压力张量之间的关系和D被定义为

岩石材料在达到屈服应力之前是线弹性的 ．当岩石发生初始损伤时，岩石内部会出现微裂纹。如果超过了岩石的破坏应力，材料就会由于内部的微裂纹而软化D= 0。当岩石的等效塑性应变达到完全破坏的等效塑性应变，D= 1。此外，岩石单元将在没有荷载的情况下从岩体中脱落，并从模型中删除[27.- - - - - -30.］．然后，新的元件继续与工具接触，并承受另一段弹塑性变形和破坏。

2.2。材料和模型参数

岩石切割模拟采用有限元程序Abaqus进行。岩石切削模拟所用的岩石材料为砂岩，刀具材料为硬质合金。刀具前角为10°。材料参数见表1．

砂岩和硬质合金是常见的均质材料，工具和岩石在模型中设置为各向同性材料。工具和岩石模型都由四边形网格划分。刀具尺寸为40mm × 70mm，共划分900个网格。切割岩层尺寸为200mm × 14mm，划分为7000个精细化网格。未切割岩层尺寸为200mm × 86mm，分为2500个格架。仿真模型的计算网格与切削参数保持一致。接触属性的定义采用表面接触和自接触两种方式。

为了研究切割器上应力的动态模式，该工具被设定为非脂质体，并且在不同的切削参数下讨论了岩石切割工具的每个点上的应力的变化。切削速度，切削深度和切削工具的后角的切割参数如表所示2．

由于岩石和刀具均为轴对称结构，且切削过程为一维水平方向，因此为了提高计算效率，采用二维仿真分析模型(图)2）.

3.结果和讨论

3．1.刀具应力分布

数字3.显示了刀具背角为10°、切削深度为10 mm、切削速度为1.36 m/s时刀具的应力分布情况。当切削开始时，应力立即集中在刀尖处。然后，尖端应力降低，但其他位置的应力增加，并沿刀具前后表面像抛物线一样向两侧扩散。工具前后靠近尖端处形成应力集中区域，形成三角形危险区域。切削齿上每个元件的应力在1.75 ms后稳定在一定范围内。

还表明，应力集中在机架表面更高(图3.）.为了更好的观察应力的具体分布，将机架面划分为30个单元，网格偏差比为10。前10个元素从机架表面的尖端依次编号为1-10 #(图)4)，分别计算和分析各单元的应力变化。

３．２．齿条端面应力波动特征

3.2.1之上。机架表面的应力分布

压力时间曲线（图5）表明应力变化可以分为两个阶段。在切割开始（0-1毫秒）时，每个元素的冲击应力明显缩放。然后，压力下降并进入稳定的切割级（> 1ms）并在一定范围内波动。数字5还表明，不同位置处的元素的平均应力是不同的。

数字6给出了采样间隔为0.233 ms的应力波动放大曲线。结果表明，各单元的应力分布有明显的周期性波动，各单元的应力分布有一个周期的波动T= 5t== 1.17 ms。

发现在不同的刀背角度和切削速度下，各元件的应力波动也具有周期性规律(图)7和8）.在相同的切削参数下，刀架面上各点的应力波动周期似乎是相同的。但切削参数的变化会影响波动周期。

3.2.2。工具后角对应力波动的影响

设定切削速度为1.36 m/s，切削深度为10 mm，在5°、10°、15°和20°分别观察了背角对应力波动周期的影响。以1号单元为例，分析了其稳定的岩石-工具相互作用。数字9表明刀具背角对应力波动周期(T= 5t）.

3.2.3。切削深度对工具应力波动的影响

设定切削速度为1.36 m/s，切削角度为10°，分别在8 mm、10 mm、12 mm和14 mm处观察切削深度对应力波动周期的影响。数字10.结果表明:不同切削深度下，齿条端面应力在相同周期下呈现周期性波动T= 5t，说明切削深度对应力波动周期没有显著影响。

3.2.4。切削速度对应力波动的影响

切割角设定为10°，10mm处的切割深度，并且在0.46m / s，0.65m / s，0.92 m / s，1.36米/秒，1.36米/秒，切削速度对应力波动时段的影响。和1.9 m / s分别。

数字11.结果表明，切削速度对应力波动周期有显著影响。应力波动周期随切削速度的增加而减小。

数字12.给出了应力波动周期与切削速度关系的拟合曲线图。结果表明，应力波动周期与切削速度( ）.

齿条表面微观区域的应力主要受岩石颗粒与工具之间的特定相互作用的影响。在岩石切削过程中，微切削碎屑会不断冲击刀架面。但切削速度越快，碎屑颗粒冲击齿条面频率越高，应力波动周期越小(图)13.）.

３．３．机架表面的平均应力

3.3.1。背角刀具对平均应力的影响

研究了切削参数对齿条端面各单元平均应力的影响。切削速度为1.36 m/s，切削深度为10 mm，在5°、10°、15°和20°处观察到背角对平均应力的影响。

结果表明，在不同的后角下，每个单元的应力沿刀尖线性变化(图)14.）.背角的增大会导致最大应力点沿齿条端面从刀尖向上移动到顶部。此外，背角越大，各单元的平均应力也越大。

刀具应力与变形密切相关。工具背角越大，尖端的楔形角越小，工具的变形越大(图)15.)，导致平均应力和最大应力位置向上移动至顶部(图16.）.这意味着刀具的后角越大，刀具齿条面损坏的可能性越大，易损点沿齿条面上升。

3.3.2。切割深度对平均应力的影响

切削速度为1.36 m/s，背角为10°，分别在8 mm、10 mm、12 mm和14 mm处观察切削深度对平均应力的影响。数字17.结果表明，在不同的切削深度下，每个元件的应力沿刀尖线性变化。随着切削深度的稳步增加，最大应力点沿齿条表面从刀尖向上移动到顶部。

岩石切割时，在齿条面前面有一个密集的切屑颗粒核心[9］．随着切削深度的增加，致密岩心体积增大，致密岩心中心向上移动至顶部，导致沿刀架面最大应力点上升(图)18.）.这意味着易受伤害的位置将沿着机架面从刀尖向上移动到顶部。这一结论与相关文献的实验结果基本一致(图)19.）[29.］．

3.3.3。切削速度对平均压力的影响

切割深度设定为10mm，后角是10°，并且在0.46m / s，0.65m / s，0.92 m / s和1.36米/秒时观察到切削速度对平均应力的影响， 分别。虽然齿条面上的每个元件的平均应力略微波动，但应力拟合曲线几乎在不同的切割速度下处于相同的水平（图20.）.这说明切削速度对各元件的平均应力没有明显影响。

4.结论

建立了岩石切割过程工具应力的动态仿真模型。研究了局部应力的分布及其影响因素。基于本文提出的研究，可以绘制以下结论：(1）机架表面的应力集中程度高于机架背面的应力集中程度。工作约17.5 ms后，刀具各位置应力达到最大值，并在一定范围内稳定波动。在刀尖处形成应力集中的危险区域。（2)岩石切割工具架面上的每个点的应力波动显示出明显的周期性特性，并且在齿条面上的每个点的应力波动周期在相同的切割条件下相同。随着逆比例倾向的切削速度的增加，应力波动周期周期降低。切割工具的切割深度和后角对应力波动时期没有明显的影响。(3）切削深度和刀具背角对齿条面上各点的平均应力分布有明显的影响。切削深度和后角的增大会使齿条面最大应力点从刀尖向上移动，说明刀具易损处会沿齿条面向上移动。切削速度对齿条端面各点的平均应力无明显影响。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们在这篇论文的发表上没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no . 51674267, no . 51874310)。中国矿业大学“悦起青年学者项目”的支持也得到了认可。

参考文献

1. D. Vogt，《地下开采岩石切割的回顾:过去、现在和未来》，南部非洲矿业和冶金研究所学报，第116卷，第116期11, pp. 1011-1026, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. G. Hammond和A. O'Grady，“英国页岩气提取的”指示能源技术评估“应用能源，第185卷，1907-1918页，2017年。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. T. Gogache，Y. Gao，P. Coste和Y.Gourinat，“行星凝固钻井双往复钻井的首次试验研究：渗透力学的命题”行星和空间科学，第59卷，第59期13, pp. 1529-1541, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. B. J. Katz，“科学海洋钻探中的油气显示和烃源岩”，国际煤炭地质学杂志第54卷第5期1-2，页139-154,2003。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. “含水合物储层钻井过程中热传递的实验研究”，国家自然科学基金青年项目，主持。海洋工程，第183卷，第262-269页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. 诉所生,基于实验室试验的PDC刀具下岩石破坏模型研究。硕士论文，德州理工大学，卢伯克，德克萨斯州，美国，2011。
7. Y. Nishimatsu，“岩石切割机械师”，岩石力学与采矿科学与地质力学文摘，第9卷，第5期。2，页261 - 270,1972。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. L. Sikarshie和J. Altiero，“弹脆材料(岩石)穿透中碎屑的形成”，Transactions Journal of applied Mechanics，第9卷，第25-31页，1973年。视图:谷歌学者
9. L. H. Chen和J. F. Labuz， "楔形工具对岩石的压痕"，岩石力学与工程学报号，第43卷。7, pp. 1023-1033, 2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. 周勇，张伟，I. Gamwo, j - s。Lin，“岩石切割和钻井中的机械比能与切割深度的关系”，岩石力学与工程学报， 2017, vol. 100, pp. 287-297。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. Q. Wang，S. Gao，S. Li等，“岩石切割的上限分析力学模型及其在现场测试中的应用”隧道与地下空间技术，第73卷，第287-294页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. M. Entacher和E. Schuller，“由于叶理作用的岩石切割力的角度依赖性”，隧道与地下空间技术， vol. 71, pp. 215-222, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. K. Hirokazu，O.Tetsuji，M. kuniyuki和A. Eko，“实验结果对扭矩反应的钻头磨损效果”岩石力学与工程学报，第84卷，第1-9页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. R. Teale，《用滚轮刀具机械挖掘岩石的实验》，岩石力学与采矿科学与地质力学文摘， vol. 1, no. 11，页63-78,1964。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. 黄旭东，刘强，陈力等，“混合盾构掘进机壳体切削力的测量与分析”，隧道与地下空间技术，第82卷，第325-345页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. 张敏，张勇，匡勇，“PDC齿形切削岩石仿真模型及钻头试验研究”，地下空间与工程学报，第14卷，第1218-1225页，2018。视图:谷歌学者
17. 欧阳云，“基于SPH方法的岩石三维切割数值模拟及切削力估算”，上海交通大学学报， vol. 50, pp. 84-90, 2016。视图:谷歌学者
18. G. Li，W. Wang，Z.Jing，L. Zuo，F. Wang和Z.Wei，TBM切割工具切割岩土和土壤的机制和数值分析，“隧道与地下空间技术，第81卷，第428-437页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
19. C. ji，J. Shi，Z. Liu和Y. Wang，“单晶硅和铜纳米加工工具芯片应力分布的比较”国际机械科学学报，卷。77，pp。30-39,2013。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. M. Pradeep和M. R. Lovell，“岩石力学性质和倾角对切割过程中岩石碎片形成的影响”，国际先进制造技术杂志，第90卷，第5期。1-4，页127-139,2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. 杨松，孙军，李辉，韩立，“沉淀硬化不锈钢高进给速度铣削中涂层碳化物的刀具失效分析与切削参数优化，”，中国机械工程， vol. 27, pp. 3288-3293, 2016。视图:谷歌学者
22. 张旭东，吴思生，刘春华，“硬车削表面残余应力的周期性波动及其与切屑形成的关系”，《机械工程学报》，vol . 18, no . 3, pp . 489 - 494Asme 2011国际制造科学与工程大会的诉讼程序，Corvallis，或，美国，2011年6月。视图:谷歌学者
23. 马灿，“超声振动下刀具断裂的实验与数值研究”，精密工程，卷。51，pp。393-402,2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
24. E.剥离和C.Atkinson，“孔隙压力对低渗透剪切膨胀岩石钻孔反应的影响”岩石力学与工程学报，第37卷，第2期7、2000年。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. 朱晓辉，贾玉军，“基于Drucker-Prager准则的土壤正交切削三维力学建模”，隧道与地下空间技术， vol. 41, pp. 255-262, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. 杨成才，赖勇，王兴，高军，魏哲，“兰州地铁黄河砂卵石地层盾构刀的数值计算”，振动与冲击学报，第37卷，第28-33页，2018。视图:谷歌学者
27. 徐振中，“盾构机刀具破岩机理的数值模拟与试验研究”，中南大学，长沙，2012，博士学位论文。视图:谷歌学者
28. 杨勇，张超，林敏，陈力，“PDC钻头截齿破岩机理研究”，石油科学与工程学报，第161卷，第657-666页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
29. w·张,立铣刀入刀过程的有限元分析研究及断裂预测2011年，上海交通大学硕士学位论文。
30. 宋海，史海华，季志忠等，“考虑岩石损伤的冲击钻井冲击过程和能量传递效率”，岩石力学与工程学报，第119卷，第1-12页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者

版权

版权所有©2019杨晓峰等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。