复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性.基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程.通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律.在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律.结果表明:复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现"立体破岩"效果,进而减小钻头的粘滑效应.钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素.岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大,但钻齿所受的切削力也会同步增大;冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果,较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大;提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积,但钻齿所受的切削力也相对较大,不利于钻具寿命的延长.研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义.