基于区域分解法的潜孔锤无屈曲钻柱扭转振动研究

作     者：柳凯 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：卜长根;瞿叶高

授予年度：2017年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：潜孔锤钻柱 区域分解法 粘滑振动 一维波动理论 固有模态 

摘      要：随着钻探工程的快速发展,越来越多的学者开始研究冲击回转钻进过程中的振动特性。潜孔锤以其特有的优点,得到越来越广泛的应用,对其进行系统的研究越来越迫切。本文以潜孔锤钻柱为例,基于区域分解法来建立钻柱离散动力学方程,研究钻柱含有扭转粘滑的振动规律,具体研究内容如下:一、建立了潜孔锤钻柱变截面模型,通过区域分解法,应用广义变分原理对潜孔锤钻柱建立能量泛函,通过泛函变分求解驻值的方法来得到钻柱的动力学离散方程,并应用matlab软件编程,完成了钻柱耦合振动响应的系统求解过程,并应用Newton-Raphson法求解钻柱非线性载荷问题,根据钻柱振动状态自适应调整载荷,从而建立包含钻柱非线性问题的钻柱耦合振动响应求解系统。二、利用建立的钻柱耦合振动求解系统,研究了钻柱阻尼和变截面等因素对钻柱耦合振动响应的影响。在此基础上,研究针对潜孔锤冲击周期冲击激励钻柱扭转粘滑振动特性,分析了冲击持续时间、钻柱长度和驱动转速对扭转粘滑运动的影响。结果显示:冲击时间越长,越容易发生粘滑振动现象;与短钻柱相比,长钻柱扭转振动各阶模态频率间距减小,钻柱在每一冲击倍频处均接近的模态频率,易发生扭转共振;钻柱的驱动速度提高时,钻头扭转动能增大,钻头阻力矩可能无法完全消耗钻头动能,使不再发生粘滑振动现象。三、通过一维波动理论,建立了弹性体钻柱扭转振动的数学理论模型,应用振型叠加法得到周期力作用下钻柱扭转稳态受迫振动响应,得到了线性条件下钻柱扭转振动的理论求解方法,与区域分解法结果进行对比,验证了两种方法的可靠性。从中可以看出,区域分解法所得的响应是由钻柱的瞬态响应和稳态响应叠加而成,而理论法所得的响应中只有稳态响应。区域分解法与理论法可以很好地求解短钻柱扭转振动响应,而由于长钻柱以高阶振动为主,区域分解法在模拟长钻柱振动更有优势。通过对潜孔锤钻柱耦合振动规律的研究以及非线性动力学求解的探讨,更全面地了解了潜孔锤钻柱振动特性,对实际钻进起到重要的指导意义,本文为钻柱振动响应的研究提供了重要的方法和理论基础。