基于声频振动钻进技术对钻柱纵向振动模态的研究

论文摘要

声频振动钻进技术主要是利用了振动源的高频激振力,或和回转作用力、外载压力,促使钻头在这三种力的共同作用下,能够高效地穿透软岩层,进行环境钻探、软土原状取样或其它钻孔工程。在整个的声频振动钻进系统中,钻柱杆作为连接钻头与动力头的关键部件,是振动头的振动能量向钻头传递的唯一路径,开展对钻柱杆振动的研究则变得非常重要。论文首先介绍了国内外声频振动钻进技术的研究发展近况,在综述钻柱杆纵向振动的理论内容后,通过简化钻柱杆的结构,利用一维波动方程,推导出了在边界条件为钻机端定义为位移移动约束、钻头端定义为零约束的钻柱杆的纵向振动模型方程,通过模态叠加法及分离变量法求解出模型纵向振动的解析解及模态特征参数(振型和振频)的数学解析式。其次,在介绍了模态分析法求解杆纵向振动的模态参数的基础上,建立了仿真前的物理模型;还利用了SolidWorks创建了钻柱杆的三维模型,运用ANSYS仿真软件开展了对总长度为6m,直径为34mm的钻柱杆的模态仿真计算,得出了钻柱杆模型的模态特征参数即固有频率和振型,以及其他参数量(位移偏移量及应力)的变化特性。根据得到的模态特征参数变化特点,可以更有效地提高声频振动的钻进效率,为此后开展超深孔钻具的纵向振动研究以及不同约束阻尼条件下的钻柱杆的纵向振动规律研究具有一定的借鉴意义。通过此项研究,不仅可以提高声频振动钻进的能量传递效率,还可以通过研究钻柱杆产生共振时的应力变化特性对钻柱杆的强度进行校核及其结构尺寸的优化设计。因此,此项研究对声频振动钻进技术的发展具有重要的意义。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景意义

1.2 声频振动钻进技术的研究进展

1.3 钻柱纵向振动机理的研究进展

1.4 本文主要研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第2章钻柱纵向振动的模型分析

2.1 杆的纵向振动方程

2.2 特定边界条件下杆的纵向振动方程

2.3 振动方程的求解

2.3.1 振型叠加法求解振动方程

2.3.2 行波法求解振动方程

第3章基于模态分析法对钻柱纵向振动的研究

3.1 模态分析法求解振动参数的理论基础

3.2 基于模态分析法对杆纵向振动的分析

3.2.1 杆的单元质量矩阵与刚度矩阵

3.2.2 整个杆系统的动力学运动方程

3.3 基于模态分析法对杆纵向振动模态的计算

第4章钻柱纵向振动的仿真研究

4.1 钻柱杆的选择及三维建模

4.1.1 钻杆的材料选择

4.1.2 钻杆的钻压选择

4.1.3 钻杆的三维建模

4.2 钻柱杆的模态仿真

4.3 钻柱杆模态仿真结果分析

4.3.1 钻柱杆模型的振动频率

4.3.2 钻柱杆模型的振动振型

4.3.3 钻柱杆模型的振动位移云图

第5章钻柱纵向振动模态特性的研究

5.1 振动频率的影响因素

5.1.1 直径对振动频率的影响

5.1.2 壁厚对振动频率的影响

5.1.3 钻杆的材料对振动频率的影响

5.1.4 钻柱长度对振动频率的影响

5.2 最大位移偏量的影响因素

5.2.1 结构尺寸对最大位移偏量的影响

5.2.2 壁厚对最大位移偏量的影响

5.2.3 钻杆的材料对最大位移偏量的影响

5.2.4 钻柱长度对最大位移偏量的影响

5.3 钻柱杆模型振动等效应力云图的分析

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨博

导师: 周琴,王瑜,朱文鉴

关键词: 声频振动钻进,钻柱,纵向振动,模态仿真

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P634.5

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001308

总页数: 96

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