基于ABAQUS的PDC钻头切削齿破岩仿真及热分析
张丽秀;申强;张珂;魏春雨
【摘 要】目的 研究聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿破岩过程中的温升及变形情况,确定在不同切削参数下PDC钻头单齿破岩时温升和变形的变化规律.方法 利用非线性有限元仿真软件,建立了二维PDC钻头切削齿-岩石动态仿真模型,通过改变钻头切削齿破岩时的切削参数,得到了不同参数条件下切削齿温度和变形的变化规律,对切削齿破岩过程中的温升及热变形进行分析.结果 切削温度在初始阶段上升较快,0.02s左右趋于平稳,同时切削深度对温度的影响最大;温度的升高以及切削力的变大,会使切削齿的变形增大.结论 在PDC钻头单齿破岩的过程中,PDC切削齿的温度变化与其切削深度、切削速度以及齿前角密切相关.切削深度对其温度的影响较为明显.与所受的切削力相比温度对切削齿的变形影响较为明显.
【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(034)005
【总页数】9页(P912-920)
【关键词】PDC切削齿;破岩;温升;变形;有限元
【作 者】张丽秀;申强;张珂;魏春雨
【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168
【正文语种】中 文 【中图分类】TE921
煤层气钻机在勘探钻井时,聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿在破岩过程中,会产生明显的温升变化,如果钻头的温度过高,其产生的热应力不但会超过材料的最大许用强度从而造成钻头的失效,影响其使用寿命,同时温度的升高必然也会导致钻头切削齿的热变形从而影响其切削效率[1-2].MAMALIS A G等 [3]研究了在高速切削过程中塑性形变消耗的功率与热量的转化关系.VORONTSOV A L 等[4]研究了刀具前角对切削温度的影响关系.CAO L等[5]对切削过程进行了三维顺序耦合热应力分析,并将仿真所得到结果与其所做的实验结果进行对比分析,对有限元方法的可行性进行了验证.杨晓峰等[6]深入研究了钻头破岩的传热过程,从而建立了钻头切削破岩过程中温度场的微分方程组以及温度场的边界条件.阳启华[7]等人利用有限元分析软件,对切削过程中刀具的温度场进行了模拟分析,得出了刀具前角对切削温度的影响规律.龙巾帼等[8]模拟了热-结构耦合场下 PDC切削齿破岩过程,通过对比理论计算结果,确立了其方法的可行性.可见,大多研究是只对切削过程中的温度变化情况做了分析,并没有考虑到温升对切削齿变形的影响情况及其PDC 钻头切削齿破岩很强非线性的特征[9-10].基于此,笔者首先利用有限元方法对PDC钻头切削齿切削岩石过程中温升变化进行研究,建立了二维切削齿-岩石切削仿真模型,并采用岩石弹塑性D-P模型[11-14]以及材料失效准则来模拟钻头切削齿动态破岩过程中的切屑与岩石的分离,模拟了钻头切削齿动态破岩过程,然后通过仿真所得的结果对切削齿的变形影响因素进行分析,确定在不同切削参数下PDC钻头单齿破岩时温升和变形的变化规律.
Abaqus基本操作中文教程
目录
1 Abaqus软件基本操作 .........................................................................................
1.1 常用的快捷键 ......................................................................................................
1.2
单位的一致性 ......................................................................................................
1.3
分析流程九步走 ..................................................................................................
1.3.1 几何建模（Part） .......................................................................
1.3.2 属性设置（Property） ...............................................................
1.3.3 建立装配体（Assembly） .........................................................
1.3.4 定义分析步（Step） ..................................................................
机电技术 ２０１１年８月
基于ＡＢＡＱＵＳ的钛合金切削有限元分析
孔虎星 郭拉凤 尹晓霞
（１中北大学机电工程学院，山西太原０３００５１；２洪都航空工业集团６５０所，江西南昌３３００２４）
摘要：基于弹塑性的有限元理论建立了钛合金的二维切削模型，运用通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对钛合金的切削
加工过程进行了非线性的热．弹塑性仿真分析。研究了切削中涉及到的有限元网格模型、材料本构关系、刀．屑间摩擦和 材料失效准则等关键技术，得出了切削中的材料表面应力应变和温度分布，为钛合金的切削工艺优化提供了一种方法。
关键词：有限元分析；切削仿真；切削力：热．弹塑性 中图分类号：ＴＧ５０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－４８０１（２０１１）０４—０２２—０３
金属切削是一个复杂的包含热、力及机械的
耦合过程，涉及到弹塑性变形、大应变和高的应 变率，并且切削过程的温度和摩擦条件非常复杂，
切削过程是一个高度非线性的热一力耦合过程。传 统的切削试验耗时耗力成本昂贵，且切削过程中
的温度、应力、应变等参数很难准确得到。随着
有限元理论和仿真技术的发展成熟，计算机数值 模拟切削过程的地位变得越来越明显，本文使用 通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ来模拟钛合金的非稳态
切削过程，建立切削过程的二维热一力耦合弹塑性 有限元模型，研究切削数值仿真的关键技术，分
析切削过程的应力应变和切削热，为钛合金的切 削工艺优化提供参考。
１钛合金切削有限元模型
１．１材料本构模型 材料的本构模型用来描述的力学性能，表征
材料变形过程中的动态响应，材料本构模型一般 表示为流动应力应变、应变率、温度等参数之间
的数学函数关系。切削加工是一个高温、大变形 和高应变率的过程，只有建立了大变形情况下的
随应变率和温度变化的应力应变关系，才能准确 的描述材料在切削加工过程中的弹塑性变形特
性，因此进行数值仿真必须给出准确的材料参 数。本文使用Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ本构关系模型来模拟
Abaqus-详细教程
第⼆章 ABAQUS基础
⼀个完整的ABAQUS分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、模拟计算和后处理。这三个步骤的联系及⽣成的相关⽂件如下：
前处理（
在前处理阶段需定义物理问题的模型并⽣成⼀个ABAQUS输⼊⽂件。通常的做法是使⽤ABAQUS/CAE或其它前处理模块，在图形环境下⽣成模型。⽽⼀个简单问题也可直接⽤⽂件编辑器来⽣成ABAQUS输⼊⽂件。
模拟计算（ABAQUS/Standard）
模拟计算阶段⽤ABAQUS/Standard求解模型所定义的数值问题，它在正常情况下是作为后台进程处理的。⼀个应⼒分析算例的输出包括位移和应⼒，它们存储在⼆进制⽂件中以便进⾏后处理。完成⼀个求解过程所需的时间可以从⼏秒钟到⼏天不等，这取决于所分析问题的复杂程度和计算机的运算能⼒。
后处理（ABAQUS/CAE）
⼀旦完成了模拟计算得到位移、应⼒或其它基本变量，就可以对计算结果进⾏分析评估，即后处理。通常，后处理是使⽤ABAQUS/CAE或其它后处理软件中的可视化模块在图形环境下交互式地进⾏，读⼊核⼼⼆进制输出数据库⽂件后，可视化模块有多种⽅法显⽰结果，包括彩⾊等值线图，变形形状图和x－y 平⾯曲线图等。2.1 ABAQUS分析模型的组成
ABAQUS模型通常由若⼲不同的部件组成，它们共同描述了所分析的物理问题和所得到的结果。⼀个分析模型⾄少要具有如下的信息：⼏何形状、单元特性、材料数据、荷载和边界条件、分析类型和输出要求。
⼏何形状
有限单元和节点定义了ABAQUS要模拟的物理结构的基本⼏何形状。每⼀个单元都代表了结构的离散部分，许多单元依次相连就组成了结构，单元之间通过公共节点彼此相互连结，模型的⼏何形状由节点坐标和节点所属单元的联结所
确定。模型中所有的单元和节点的集成称为⽹格。通常，⽹格只是实际结构⼏何形状的近似表达。
⽹格中单元类型、形状、位置和单元的数量都会影响模拟计算的结果。⽹格的密度越⾼（在⽹格中单元数量越⼤），计算结果就越精确。
