仿生PDC齿旋转破岩时的温度场和破岩特性模拟研究

摘要

针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿。采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度-位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生PDC齿破岩过程中温度场的变化规律和破岩方式,并与常规PDC齿进行了模拟对比。模拟结果发现:仿生PDC齿与常规PDC齿在破岩时的温度传递过程存在较大差异;仿生PDC齿能够防止钻头泥包的产生,且能够减少摩擦热的集聚,避免高温热失效,延长其使用寿命;仿生PDC齿破岩速度更快,对岩石的破碎更加彻底。研究表明,仿生PDC钻头的现场适用性较好,具有较好的现场推广应用价值。