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在隨鉆密度儀器的設(shè)計(jì)過程中，儀器機(jī)械部分的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的工作。隨鉆密度儀器是在密度鉆挺圓柱面上加工出U形槽，將密度測量探頭裝入抗壓筒內(nèi)，安裝在U形槽內(nèi)，測量由放射源發(fā)射的經(jīng)地層散射后的射線。由于密度探測器尺寸及安全、防震、導(dǎo)流等要求，鉆挺上U形槽的尺寸有嚴(yán)格限制，因此要求對放置探測器的隨鉆密度儀器的鉆挺本體進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，選擇合適的鉆挺材料。研究利用ANSYS軟件，建立隨鉆密度儀器簡單的計(jì)算模型，進(jìn)行扭一壓載荷下的仿真模擬，并得出一些有益的結(jié)論。
將隨鉆密度儀器鉆挺本體作為研究對象，如圖所示，隨鉆密度儀器是在鉆挺圓柱面上加工三翼型扶正器，在其中一個(gè)扶正器內(nèi)加工U形槽，將密度測量探頭裝入密度測量模塊抗壓筒內(nèi)，安裝在扶正器的U形槽內(nèi)。鉆挺中有泥漿通道，泥漿通過鉆頭的水眼流出，然后經(jīng)過鉆挺與地層之間的環(huán)形空間返回井口。泥漿不僅攜帶出巖屑，而且還作為井下信號的傳輸介質(zhì)，密度測量值通過泥漿以壓力波為載體傳到地面。由于密度探測器尺寸及安全、防震、導(dǎo)流等要求，鉆挺上U形槽的尺寸有嚴(yán)格限制。利用實(shí)體建模技術(shù)，生成實(shí)體模型，然后對實(shí)體模型劃分網(wǎng)格的方法生成有限元分析模型。其中與鉆頭連接的上端面作為固定端處理，并作為零位移約束條件，與鉆頭連接的下端面可自由變形，鉆壓、扭矩作用在下端面上。考慮到隨鉆測量儀器的受力主要是由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，因此在這里以第四強(qiáng)度理論(CVonmises八面體剪應(yīng)力準(zhǔn)則)為依據(jù)，并遵循Mesis準(zhǔn)則的4個(gè)假定：各向同性，與靜水壓無關(guān)，單向拉、壓屈服應(yīng)力相同，屈服面為凸形。
在機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析中，鉆壓的施加比較簡單，而如何正確施加扭矩在實(shí)際操作中比較困難。扭矩，實(shí)際上就是力學(xué)里面力矩。如果有大小相等，作用方向相反但不在一條直線上的兩個(gè)力，這兩個(gè)力的合成效果就是一個(gè)力矩M，它使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形趨勢。力矩M的大小等于力F乘以兩個(gè)平行力之間的垂直距離h，M=FXh。如果給定了力矩的大小，我們可以根據(jù)需要，把他轉(zhuǎn)換成一對大小相等，作用方向F相反且不在一條直線上的一對力F。根據(jù)這個(gè)原理，就產(chǎn)生了一種施加扭矩的辦法：把力矩等效轉(zhuǎn)換為作用在節(jié)點(diǎn)上的一對對的大小相等方向相反的力，所有這些力合成后得到若干力矩，所有力矩之和等于欲施加的力矩，即：M=F1Xhl+F2Xh2+…+Fnhn以在一段圓柱體的圓周表面上施加扭矩為例：假定力矩是作用在整個(gè)圓周表面上的，設(shè)要施加的總力矩大小為M。等效后，作用在每個(gè)圓柱表面節(jié)點(diǎn)上的力為f。由于此式中M，d是已知的，故由此即可算出等效到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的力f。當(dāng)然，力f的方向應(yīng)該沿著圓周的切向。在ANSYS中，把坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)，即可施加圓周切向力，這種方法雖然理論上是可行的，實(shí)際操作起來會受到諸多限制。如：①圓周方向節(jié)點(diǎn)數(shù)目必須為偶數(shù)，因?yàn)橹挥信紨?shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，才能夠剛好兩兩配對形成力矩。若為奇數(shù)，則所有的力兩兩配對合成力矩之后，必然多出一個(gè)力來，總的合成效果是力+力矩。②必須手工計(jì)算作用在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的等效力。且不說手工計(jì)算繁瑣，如果重新劃分網(wǎng)格時(shí)，改變了單元分布數(shù)目，則等效力必須重新計(jì)算，麻煩無比。③如果扭矩是作用在端面上，由于端面節(jié)點(diǎn)分布不規(guī)律，等效計(jì)算更是無從談起了。
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