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牙輪鉆頭在井底破碎巖石過程中受頂部鉆壓、自身動載荷以及井底接觸巖石的隨機沖擊碰撞作用,存在牙齒與巖石交替壓入、刮切和滾動的運動狀態,受力情況相當復雜。基于巖石彈塑性本構關系和等效塑性應變的巖石破壞準則,考慮井底圍壓以及鉆頭與巖石互作用隨機接觸碰撞,采用有限單元法建立了牙輪鉆頭與井底巖石互作用下系統非線性動力學模型。探討了牙輪鉆頭在破碎井底巖石過程中的運動規律及力學性能,對巖石破碎坑的形成過程進行了仿真,為有效預測和控制井眼軌跡的形成,實態工況下整體鉆柱系統耦合非線性動力學研究提供了理論依據。
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討論了一種新型單牙輪鉆頭——異形牙輪單牙輪鉆頭。在鉆頭幾何學和運動學的基礎上,通過坐標變換方法實現了鉆頭上各牙齒的空間位置變換,建立了隨鉆運動的單牙輪鉆頭的計算機仿真模型。仿真模型可模擬鉆頭鉆進過程中牙輪上各牙齒的形狀、大小、鉆頭上各牙齒的布置及鉆頭鉆進過程中各牙齒間的相互位置關系,是鉆頭與巖石相互作用仿真研究的核心問題,也是分析研究單牙輪鉆頭工作行為的基礎。
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