论文部分内容阅读
全回转套管钻机是在整体式搓管机的基础上研发的新型设备,主要应用于城市地下障碍物的拔除和置换、城市和沿海的硬岩钻凿、复杂破碎地层施工等,该设备在回转钻进、套管全孔护壁的同时,利用抓斗、冲锤等钻具快速地将套管内岩石和障碍物清除或原位破碎。套管柱以及夹持机构是全套管设备的重要部件,工作中套管柱既是钻柱又起到护壁作用,受力较为复杂,而夹持机构在夹紧套管柱的同时传递轴向力和回转扭矩,两者直接影响钻机的安全性和可靠性。本课题将基础理论研究与计算力学研究相结合,涉及到弹塑性力学、钻柱力学及非线性有限元分析等,建立了套管柱的拉力-扭矩模型及卡瓦的非线性有限元计算模型,运用载荷增量法、罚函数法、Newmark法计算夹持卡瓦在多重非线性耦合情况下的受力状态。主要工作和结论如下：(1)归纳总结了全套管施工法的国内外研究现状,结合我国现场应用情况,概括了包括灌注桩、咬合桩施工以及城市拔桩、除障等全套管施工工艺。(2)建立了全回转套管钻机套管柱力学模型,并对轴向拉压状态下的套管进行了应力分析,引入莫尔圆研究其主应力状态及变化情况。(3)对套管柱进行了整体静力学分析,从而总结出套管柱在应力分布上的一般规律：钻进过程中套管柱的复合应力由中间向两端逐渐增大,加入扭矩后,其受力曲线变化较为平缓；拔出过程中套管柱的复合应力从上到下呈线性变化,顶部最大,底部最小。(4)完成了对夹持卡瓦的材料非线性、接触非线性和瞬态动力学等有限元力学理论研究。(5)运用软件对夹持卡瓦进行非线性有限元分析,研究了卡瓦的设计样式、弧度、高度和厚度等参数对夹持面上的应力分布规律的影响,结果表明：与有衬条的卡瓦相比,光面结构的卡瓦面上的应力分布较为均匀;卡瓦的弧度在35°-40°之间、高度为650mm左右、厚度为30mm左右时卡瓦面上的应力分布较为均匀。