一种基于制造技术

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于ABAQUS的PDC钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法


[0001]本专利技术涉及钻头仿真分析领域，特别涉及
PDC
钻头切削齿仿真领域，具体是一种利用
Abaqus
仿真软件同时对
PDC
钻头齿面
‑
界面及整个硬质合金进行热力耦合仿真分析方法
。

技术介绍

[0002]在
PDC
钻头的钻井作业过程中，对于井下切削磨损的数据分析解释是关系到钻井作业多快好省进行的关键，如何减少齿的磨损
、
断齿
、
脱落是加快钻井效率
、
减少资金消耗的重要手段之一
。
对齿进行多方面分析
、
解释
、
展示
、
利用好井下测量数据是亟待解决的问题，其中对
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真是重要的组成部分
。
[0003]目前，针对切削齿切削岩石的热力耦合分析的问题，会采用数据计算
、
数据仿真
、
实验模拟等方式，其中现有的仿真研究主要存在如下问题：
1、
大多将切削齿设置为刚体，或者只有齿面结构而没有设置硬质合金的情况；
2、
在研究
PDC
齿切削过程中，研究界面处的失效分析情况同等重要，而目前切削分析时有些研究分析时忽略了这点；
3、
切削岩石很少使用完全热力耦合的方法，起因于此方法会产生较大的计算量；
4、
在切削岩石过程中往往需要切削分析大量的岩石才能使分析结果可信，但同时会导致计算量过大等问题等
。
[0004]因此，依据现有的切削分析方法，尚无确切研究单独对切削齿齿面应力分布或金刚石层与硬质合金连接面
(
即界面
)
进行综合有限元分析
。
没有分析方法针对齿面
‑
界面同时进行热力耦合仿真
。
对该领域的研究存在空白
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于克服现有切削齿切削岩石仿真无法输出齿面界面应力的缺陷，提供一种将切削齿设置为可变性体的方法，以输出齿面界面应力，评价切削齿性能，满足以此优化切削齿齿面
、
界面结构设计的要求，同时提出分析过程中网格划分规则，以便减少分析计算量的同时使得分析结果更加准确
。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种基于
ABAQUS
的
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法，按照以下步骤实施：
[0008]步骤1，进行
ABAQUS
仿真前处理；包括几何模型创建
、
基于几何模型进行有限元模型建立；
[0009]步骤2，进行
ABAQUS
仿真，选择温度，绘制节点，并对得到的应力结果进行处理
。
[0010]进一步的，在所述步骤1中，进行
ABAQUS
仿真前处理，具体包括如下进行的步骤：
[0011]步骤
1.1,
几何模型创建，通过建立金刚石层
、
硬质合金与岩石模型，均设置为可变形体；
[0012]步骤
1.2
，有限元模型建立，依次通过求解器设置
、
材料赋予
、
网格划分
、
赋予接触
、
边界条件定义
、
设置场输出
、
提交结果
。
[0013]进一步的，在所述步骤
1.1
中，设置切削齿法线与岩石被切削面的夹角为
20
°
，切入深度为
2mm
，岩石建模尺寸为
50
×
30
×
15
，
PDC
切削齿尺寸为
15.88
×
13.2
，单位
mm。
[0014]进一步的，在所述步骤
1.2
中，进行
ABAQUS
有限元模型的建立具体为：
[0015]步骤
1.2.1
，设置求解器：选择动力
、
温度
‑
位移
、
显式分析步；
[0016]步骤
1.2.2
，材料赋予：将材料参数赋予截面，将截面分别指派金刚石层
、
硬质合金与岩石模型，并且定义本构关系，所使用的模型为塑性
Drucker prager
模型；
[0017]步骤
1.2.3
，网格划分：采用拆分网格画法，对主切削区域网格加密，使用
C3D4T
网格单元，其余部分采用
C3D8T
单元；
[0018]步骤
1.2.4
，赋予接触：金刚石层与岩石之间设置接触为罚接触或者运动接触，第一个表面为金刚石层，第二个表面为硬质合金
。
此时需要定义接触属性：其摩擦公式为罚接触，系数为
0.3
；法向行为定义硬接触，并定义适当的热传导和生热；硬质合金与金刚石层之间设置面对面绑定约束，主表面为硬质合金，从表面为金刚石层；
[0019]步骤
1.2.5
，边界条件定义：在
step1
时将硬质合金耦合至一点，约束所有自由度，设置耦合点速度并设置幅值；设置岩石非接触区的所有自由度均为0，硬质合金与金刚石层只能沿切削方向移动；设置温度预定义场；
[0020]步骤
1.2.6
，设置场输出：输出
A、CSTRESS、EVF、HFL、LE、NT、PE、PEEQ、PEEQVAVG、PEVAVG、RF、S、STATUS、SVAVG、TEMP、U、V
，并建立历程场输出请求进行数据输出
。
[0021]进一步的，在所述步骤2中，切削过程中热力耦合数据以温度
、
应力为研究对象；进行
ABAQUS
仿真后处理数据提取具体如下：
[0022]步骤
2.1
，对于
PDC
钻头齿面主要接触区域应力进行采样，输出
ODB
场变量输出请求，选择节点温度
NT11
为输出变量，其主要接触区判定为切削过程中按照温度云图选取主要范围；
[0023]步骤
2.2
，选取“创建
XY
轴数据
”‑“
ODB
场输出请求
”‑“
唯一节点
(
位置<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
ABAQUS
的
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，进行
ABAQUS
仿真前处理；包括几何模型创建
、
基于几何模型进行有限元模型建立；步骤2，进行
ABAQUS
仿真，选择温度，绘制节点，并对得到的应力结果进行处理
。2.
根据权利要求1所述的一种基于
ABAQUS
的
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法，其特征在于，在所述步骤1中，进行
ABAQUS
仿真前处理，具体包括如下进行的步骤：步骤
1.1,
几何模型创建，通过建立金刚石层
、
硬质合金与岩石模型，均设置为可变形体；步骤
1.2
，有限元模型建立，依次通过求解器设置
、
材料赋予
、
网格划分
、
赋予接触
、
边界条件定义
、
设置场输出
、
提交结果
。3.
根据权利要求2所述的一种基于
ABAQUS
的
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法，其特征在于，在所述步骤
1.1
中，设置切削齿法线与岩石被切削面的夹角为
20
°
，切入深度为
2mm
，岩石建模尺寸为
50
×
30
×
15
，
PDC
切削齿尺寸为
15.88
×
13.2
，单位
mm。4.
根据权利要求3所述的一种基于
ABAQUS
的
PDC
钻头齿面
‑
界面切削齿热力耦合仿真方法，其特征在于，在所述步骤
1.2
中，进行
ABAQUS
有限元模型的建立具体为：步骤
1.2.1
，设置求解器：选择动力
、
温度
‑
位移
、
显式分析步；步骤
1.2.2
，材料赋予：将材料参数赋予截面，将截面分别指派金刚石层
、
硬质合金与岩石模型，并且定义本构关系，所使用的模型为塑性
Drucker prager
模型；步骤
1.2.3
，网格划分：采用拆分网格画法，对主切削区域网格加密，使用
C3D4T
网格单元，其余部分采用
C3D8T
单元；步骤
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张富晓，朱海，童浩，朱王昊，周先前，丁鞠桐，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：