[发明专利]一种瓦斯抽采钻机系统的多体动力学分析方法

说明书

本发明公开了一种瓦斯抽采钻机系统的多体动力学分析方法，包括：利用牛顿‑拉夫逊Newton‑Raphson和差分法求出静力学方程的近似解；利用代入法求解运动学方程；利用直接积分和构造状态方程法求解动力学方程，并通过动力学分析得到每一时刻的广义坐标、广义速度、广义加速度，从而得到钻机钻进过程中的一系列动态响应。与现有技术相比，根据本发明的分析方法可以预先调整钻进参数来降低该时刻钻孔失效的风险，从而保证钻进过程中钻孔的稳定性。

技术领域

本发明涉及刻钻孔失效的风险预防技术领域，尤其涉及一种瓦斯抽采钻机系统的多体动力学分析方法。

背景技术

煤炭资源是世界主要能源之一。近年来，数次煤炭开采工程所引发的瓦斯爆炸灾难引发了广泛关注。有效的抽采煤层瓦斯可以将瓦斯含量和压力降低到安全水平，从根本上消除瓦斯灾害。

近年来，随着煤层勘探开发规模的扩大，瓦斯抽采的成孔率问题受到了国内外学者的持续关注。但是，由于钻孔失效是由多个因素相互影响、相互促进的复杂的系统性问题，涉及到摩擦学、振动学、运动学、材料科学、化学、传热学等一系列学科，存在许多不确定性和随机性，因此，关于瓦斯抽采钻进方面的研究工作还需要进一步完善。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种瓦斯抽采钻机系统的多体动力学分析方法，使瓦斯抽采技术的优化或控制更容易实现，为瓦斯抽采向智能化发展提供数据支持。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种瓦斯抽采钻机系统的多体动力学分析方法，包括以下步骤：

S1、静力学分析：构建瓦斯抽采钻机系统的静力学方程，然后利用牛顿-拉夫逊Newton-Raphson法和差分法求出静力学方程的近似解，并通过静力学分析得到广义坐标；

S2、运动学分析：在静力学分析的前提下，构建瓦斯抽采钻机系统的运动学方程，然后利用代入法求解运动学方程，并通过运动学分析得到广义速度；

S3、动力学分析：构建瓦斯抽采钻机系统的动力学方程，利用直接积分和构造状态方程法求解动力学方程，并通过动力学分析得到每一时刻的广义坐标、广义速度、广义加速度，从而得到钻机钻进过程中的一系列动态响应。

具体地，所述步骤S1具体包括：

当系统静止时，构建的瓦斯抽采钻机系统的静力学方程：

设

R_e＝Q_e+F_mz-Kq (2)

将广义坐标写成分块形式：

q_i、q_d分别表示广义独立坐标和相关坐标，求约束方程对广义坐标的偏导，并写成紧凑形式为：

将其写为独立坐标、相关坐标分块形式为：

式中，为n_c×n-n_c阶独立坐标约束的雅可比矩阵，为n_c×n_c阶相关坐标约束的雅可比矩阵，n_c表示相互独立的约束方程数，n表示广义坐标数，总体广义坐标的虚位移表示为：

B_di为n×(n-n_c)阶矩阵，将式(6)代入式(5)，两边乘以虚位移得：

求解式(7)即得到q_i；