本文關鍵詞：鉆進過程中鉆具力學和熱力學參數(shù)同時監(jiān)測技術

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【摘要】：近年來,鉆具被廣泛應用于建筑工程、采礦工程、石油工程和航空航天等領域,對鉆具的力學和熱力學參數(shù)檢測也變得日益復雜,因此必須選擇合適的傳感器對其進行實時監(jiān)測,以確保工程的可靠性,并降低成本。傳統(tǒng)的電磁式傳感技術已經遠不能滿足高精度的要求,光纖光柵傳感作為一種新興的傳感技術,具有電磁式傳感器無法企及的優(yōu)點,其精度高、質量輕、體積小,并且抗干擾,在實際工程中的應用變得越來越廣泛。鉆具在鉆進過程中通常會受到軸向力、彎矩和扭矩的綜合作用,同時會伴隨著溫度的升高,受力過大或溫度過高都會影響鉆具的性能,使其不能正常工作,甚至有可能導致鉆進系統(tǒng)損壞和人身傷亡事故。因此,在鉆進系統(tǒng)設計時,尤其是在對功耗和質量要求很高的工程中(如航空航天工程),分析和檢測鉆具的力學和熱力學參數(shù)是非常必要的。本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元仿真,對鉆具的力學參數(shù)和熱力學參數(shù)進行了分析,并對其進行了實驗測量。本文研究的內容主要包括以下幾個方面：1.系統(tǒng)地分析了光纖光柵的傳感特性、解調方法及應用現(xiàn)狀,簡述了鉆具力學和熱力學參數(shù)檢測技術的國內外現(xiàn)狀。2.分析了光纖光柵對應變和溫度的傳感原理,基于熱力學的基本原理對鉆具鉆進過程的熱傳遞情況進行了分析,介紹了鉆具所受軸向力、彎矩和扭矩的分離原理及修正方法。3.通過建立鉆具和工件模型對鉆具鉆進工件過程進行了仿真分析,得到了鉆具的溫度場分布情況,最后通過對鉆具進行靜力學仿真分析,得到了鉆具的應力分布情況和進行壓彎扭分離的修正參數(shù)△和尼。根據(jù)仿真結果,確定了鉆具的應力和溫度檢測節(jié)點。4.利用光纖光柵傳感器對在壓彎扭復合載荷下的鋁合金圓管的待測橫截面處所受到的軸向力、彎矩和扭矩進行了測量,對在鉆具鉆進工件這一動態(tài)過程中鉆具所受到的軸力、彎矩、扭矩和溫度進行了監(jiān)測。通過比較實驗結果與理論及仿真結果,驗證了利用光纖光柵檢測鉆具力學和熱力學參數(shù)的可行性。該研究為工程上對鉆具力學和熱力學參數(shù)的檢測提供了-種新的方法。
【關鍵詞】：鉆具 軸向力 彎矩 扭矩 溫度
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TS914.5
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 緒論16-22
• 1.1 課題研究的背景及意義16
• 1.2 光纖光柵傳感研究進展16-18
• 1.2.1 光纖光柵的發(fā)展概況16-17
• 1.2.2 光纖光柵傳感的應用現(xiàn)狀17-18
• 1.3 鉆具力學和熱力學參數(shù)測量的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.4 本文研究的主要內容21-22
• 第二章 光纖光柵用于檢測鉆具力學和熱力學參數(shù)的理論基礎22-32
• 2.1 光纖光柵傳感器的工作原理22-25
• 2.1.1 應力對FBG的作用23
• 2.1.2 溫度對FBG的作用23-24
• 2.1.3 FBG對溫度和應變的交叉敏感問題24-25
• 2.2 鉆具的壓彎扭分離與修正原理25-28
• 2.2.1 圓柱管(桿)的壓彎扭分離原理25-27
• 2.2.2 外螺旋鉆桿壓彎扭的分離與修正27-28
• 2.3 鉆進過程中鉆具的熱量分析28-29
• 2.3.1 鉆具熱量的來源28-29
• 2.3.2 鉆具熱量的耗散29
• 2.4 檢測方案29-31
• 2.4.1 光纖光柵傳感器的信號解調原理29-31
• 2.4.2 鉆具力學和熱力學參數(shù)檢測系統(tǒng)31
• 2.5 本章小結31-32
• 第三章 鉆具力學和熱力學參數(shù)的有限元分析32-48
• 3.1 有限元仿真簡介32
• 3.1.1 有限元分析法32
• 3.1.2 仿真軟件簡介32
• 3.2 鉆具的熱力學參數(shù)仿真32-42
• 3.2.1 鉆具和工件的有限元模型的建立32-34
• 3.2.2 鉆具和工件模型的網格劃分34-35
• 3.2.3 設置邊界條件和材料屬性35
• 3.2.4 仿真結果及其分析35-42
• 3.2.5 溫度監(jiān)測節(jié)點的選定42
• 3.3 鉆具力學參數(shù)仿真42-47
• 3.3.1 鉆具力學參數(shù)仿真42-47
• 3.3.2 鉆具力學參數(shù)監(jiān)測節(jié)點的選定47
• 3.4 本章小結47-48
• 第四章 基于光纖光柵的鉆具力學和熱力學參數(shù)測量實驗研究48-67
• 4.1 空心圓管靜態(tài)壓彎扭實驗測量研究48-54
• 4.1.1 實驗裝置48-53
• 4.1.3 誤差分析53-54
• 4.2 鉆桿鉆進過程中力學和熱力學參數(shù)動態(tài)測量實驗研究54-65
• 4.2.1 光纖光柵溫度傳感器的封裝與標定54-55
• 4.2.2 光纖光柵應變傳感器的溫度靈敏度標定55
• 4.2.3 實驗裝置55-56
• 4.2.4 實驗過程及結果56-65
• 4.2.5 誤差分析65
• 4.3 本章小結65-67
• 第五章 總結與展望67-69
• 5.1 總結67
• 5.2 展望67-69
• 參考文獻69-74
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文74

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本文編號：1088670