PDC抗冲击性能及结构参数优化研究

摘要

聚晶金刚石复合片(PDC)是一种新型的超硬复合材料产品,经过多年的研究和实践,已在地质、石油、煤田的钻探和机械加工等多个领域得到广泛应用,并取得越来越好的社会效益和经济效益。PDC抗冲击性能是决定其使用效果好坏的关键所在之一,它反映了PDC的韧性和粘结强度,是一个综合性能指标。PDC的聚晶金刚石(PCD)层冲击破坏研究日益受到人们的重视,PDC产品的抗冲击性能能够保持稳定并不断地提高和用户的利益直接挂钩,是各生产厂家直想要达到的目标。影响PDC抗冲击性能的主要因素可以从两个方面考虑:宏观结构与微观工艺。
　　本文主要考虑宏观结构,包括金刚石/硬质合金的厚度比、PDC径厚比、金刚石/硬质合金界面结构形式和PDC安装角度,并将它们作为PDC抗冲击性能主要影响因素来进行仿真和试验。应用ANSYS软件及APDL语言对不同层厚比H、径厚比T和典型的非平面界面PDC残余热应力进行仿真和优化,得到各种结构下PDC的残余热应力大小,进行对比来优化PDC结构,并提出评价PDC残余应力通用公式,为PDC的合理设计提出一个思路。将PDC在锚杆钻头上的安装角度(包括仰倾角和侧偏角)作为优化因素,应用ANSYS/LS-DYNA软件对PDC的冲击过程进行了数值模拟。通过PDC冲击瞬间最大拉应力与各因素之间的关系,得到PDC基于抗冲击性能的结构优化。因PDC切削齿破碎岩石过程中切削载荷连续且具有周期性,运用ANSYS对PDC和PDC锚杆进行模态分析得到它们固有频率,对比其在使用中的受载数据,PDC在井下切削过程中岩石对其的冲击力不会使它产生共振现象。试验采用类似于落锤法检测PDC试样的抗冲击性。冲击摆锤从一定的高度由重力作用自由摆落撞击PDC的边缘2mm处,使PDC产生疲劳破坏。当试样表面出现裂纹或产生破碎时停止,冲击的次数N(或计算冲击总能量)即为该样品的实测抗冲击性能参数。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第1章 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题题目及来源

1.1.2 课题研究背景及意义

1.1.3 PDC抗冲击性国内外研究现状

1.2 PDC抗冲击性能仿真

1.3 本课题研究内容

第2章 基于残余热应力的PDC结构优化

2.1 PDC热应力分析及其APDL参数化优化方法

2.1.1 PDC热应力分析方法

2.1.2 APDL原理及参数化优化方法

2.2 平界面PDC厚度比和径厚比的优化

2.2.1 PDC残余应力优化分析方法

2.2.2 APDL优化步骤

2.2.3 生成分析文件

2.2.4 PDC残余热应力优化分析

2.3 PDC界面的改进

2.4 PDC残余热应力检测方法

2.5 本章小结

第3章 单个PDC冲击分析

3.1 单个PDC冲击分析仿真分析过程概述

3.1.1 ANSYS/LS-DYNA特点

3.1.2 ANSYS/LS-DYNA冲击计算注意事项

3.2 基于ANSYS/LS-DYNA的PDC冲击模拟前处理

3.3 结果分析

3.3.1 PDC冲击过程分析

3.3.2 PDC安装角度对冲击碰撞的影响

3.4 本章小结

第4章 PDC模态分析

4.1 PDC模态分析

4.1.1 ANSYS模态分析概述

4.1.2 PDC模态分析

4.2 PDC锚杆模态分析

4.2.1 PDC锚杆建模,加载求解和扩展模态

4.2.2 结果后处理

4.3 锚杆钻头在切削过程中的受力

4.4 本章小结

第5章 PDC抗冲击韧性检测

5.1 PDC抗冲击韧性检测方法

5.2 PDC抗冲击韧性检测试验

5.2.1 检测原理

5.2.2 检测方案

5.3 PDC抗冲击韧性检测结果

5.3.1 检测结果

5.3.2 PDC抗冲击性能与残余热应力的关系

5.4 检测方案的改进意见

5.5 本章小结

第6章 结论

6.1 全文总结

6.2 存在的问题和今后的任务

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢