新型三轴高强井壁实验加载装置的研制

摘要

钻井技术在煤矿行业的不断进步下也不断地创新和发展，其中井壁结构的稳定性一直是科研人员探讨的热门话题。为了研究井壁结构与土层及地下水之间相互作用的力学性能，需要借助三轴高强井壁实验加载装置来进行模拟实验。三轴高强井壁实验加载装置是通过模拟地下井壁受力变化时的各种力学性能，借助计算机程序对其进行数据统计。
　　本文通过分析本校实验室原有三轴实验加载装置存在的缺陷—承载力(40MPa)的不足，提出研发承载力为60MPa的新型三轴高强井壁实验加载装置。通过对井壁模型试验加载的原理，结合原有加载装置的构成，设计出了新型三轴高强井壁实验加载装置。该装置能模拟井壁与地下土壤的接触受力情况，因此新型三轴高强井壁实验加载装置的研发为煤矿工程井壁结构力学模型实验的加载方法开拓了一种新的思维。
　　本文研究主要从以下三个方面进行:
　　首先介绍了《材料力学》中厚壁圆筒的弹性理论分析，利用推导出的公式对加载装置的厚壁圆筒壁厚进行了计算;而上下圆端盖厚度是通过《过程设备设计》中周边固支的圆平板理论计算的;螺钉型号数量则是参考《机械设计手册》进行计算验证的。
　　其次就理论计算得出的圆筒尺寸利用ANSYS有限元软件对其选用Solid45单元进行建模分析，在60MPa压力下厚壁圆筒能满足承载力的要求但是圆筒中部出现应力集中现象，为了改善此现象对厚壁圆筒中部进行加肋处理并得出加肋的高度和厚度。
　　最后从加载装置的铸造工艺方面进行了相关阐述。
　　通过本次研究发现壁厚为72mm、上下平端盖85mm的厚度和12.9级M30的加固螺钉能满足预期60MPa的承载能力，另外通过数值模拟发现厚壁圆筒中部增加厚度38mm，高度100mm的肋能有效的改善简体中部应力集中的现象。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 井壁结构的研究现状

1．3 论文的主要研究工作流程分析

1．3．1 论文的主要研究工作

1．3．2 论文研究的技术路线

2 新型三轴高强井壁实验加载装置的理论设计

2．1 设计目的

2．2 设计原则及要求

2．3 压力容器失效准则介绍

2．4 新型三轴高强井壁实验加载装置结构

2．5 加载装置厚壁圆筒壁厚设计

2．5．1 线弹性理论分析

2．5．2 弹塑性理论分析

2．6 加载装置上下圆端盖厚度设计

2．6．1 圆平板的应力分析

2．6．2 圆平板的厚度确定

2．7 加载装置上下平端盖螺纹设计

2．7．1 螺纹联接的类型

2．7．2 螺纹联接预紧和防松

2．7．3 螺纹联接的强度计算

2．8 本章小结

3 新型三轴高强井壁实验加载装置有限元分析及其优化

3．1 有限元法概述

3．2 ANSYS有限元分析软件简介

3．3 材料非线性分析

3．3．1 材料非线性的概念

3．3．2 ANSYS材料非线性的类型

3．3．3 ANSYS塑性材料模型

3．4 厚壁圆筒部分有限元模型的建立

3．4．1 厚壁圆筒部分设计参数

3．4．2 单元的选取以及材料模型的确定

3．4．3 模型网格的划分

3．5．1 厚壁圆筒优化前的应力分析

3．5．2 厚壁圆筒优化后的应力分析

3．6 本章小结

4 新型三轴高强井壁实验加载装置铸造工艺

4．1 母材性能分析

4．2 铸造的定义及原理

4．3 铸造方法分类

4．4 砂型铸造工艺设计要点

4．5 铸造用砂

4．5．1 石英质砂

4．5．2 非石英质砂

4．6 砂型铸造工艺流程图

4．7 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果