[发明专利]一种钻具载荷压弯扭分离的测试方法

摘要

一种钻具载荷压弯扭分离的测试方法，首先在与钻具同尺寸的圆柱杆横截面上等间距选取三点，并分别放置应变传感器测量轴向应变，在任一点处的其它方向放置一个应变传感器测量该方向应变，然后通过在有限元仿真软件中建立螺纹杆模型、圆柱杆模型，得到钻具轴向应力值与圆柱杆轴向应力值的差值、钻具与圆柱杆在同一个斜面上的切应力比值，最后计算得到钻具的轴力、弯矩、扭矩。本发明与现有技术相比将钻具作为与钻具同尺寸的圆柱杆叠加螺纹后的产物，通过测量三点处的轴应变和任一点处其它方向上的应变，实现了复合载荷的轴力、弯矩和扭矩的分离测试，具有方法简单、准确可靠的优点。

主权项

一种钻具载荷压弯扭分离的测试方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在与钻具同尺寸的圆柱杆横截面与侧面所交圆周上取等间距分布的三点A、B和C，在点A、B和C上分别放置应变传感器1、应变传感器2、应变传感器3，在A点所在侧面且与轴向呈γ角位置处放置一个应变传感器4；(2)分别使用应变传感器1、应变传感器2、应变传感器3对应测量A、B、C三点处的轴向应变，并分别记为ε_A、ε_B、ε_C，使用应变传感器4测量A点所在侧面且与轴向呈γ角方向的应变ε_γ；(3)在有限元仿真软件中输入钻具长度、外径、内径、螺旋翼高度、宽度、螺距、头数，建立螺纹杆模型，然后输入材料、材料特性参数、载荷、约束方式，得到钻具侧面任一点轴向应力，在有限元仿真软件中输入与钻具同尺寸的圆柱杆长度、外径、内径，建立圆柱杆模型，然后输入材料、材料特性参数、载荷和约束方式，得到圆柱杆侧面上与钻具侧面任一点位置相同点的轴向应力，并将两个轴向应力做差得到钻具轴向应力值与圆柱杆轴向应力值的差值Δ；(4)向有限元仿真软件输入钻具长度、外径、内径、螺旋翼高度、宽度、螺距、头数，建立螺纹杆模型，然后输入材料、材料特性参数、载荷、约束方式，得出钻具的切应力分布，向有限元仿真软件输入与钻具同尺寸的圆柱杆长度、外径、内径，建立圆柱杆模型，然后输入材料、材料特性参数、载荷、约束方式，得到圆柱杆的切应力分布，进而得到钻具与轴向呈γ角方向侧面的切应力、圆柱杆与轴向呈γ角方向侧面的切应力比值k；(5)计算得到钻具的轴力F_n为$F_n=(\mathrm{\Δ}-\frac{({\mathrm{E\ϵ}}_A+{\mathrm{E\ϵ}}_B+{\mathrm{E\ϵ}}_C)}{3})S$弯矩M为$M=\frac{I_z}{R}\sqrt{\frac{{({\mathrm{E\ϵ}}_C-{\mathrm{E\ϵ}}_B)}^2}{3}+{\left(\frac{2{\mathrm{E\ϵ}}_A-{\mathrm{E\ϵ}}_B-{\mathrm{E\ϵ}}_C}{3}\right)}^2}$扭矩T为$T=k\[\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_A}{2a(1+\mathrm{\μ})}\left(1-b-\mathrm{\μ}-\mathrm{\μ}b\right)-\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}}{a(1+\mathrm{\μ})}\]\frac{{\mathrm{\πR}}^3}{2}$其中，S为与钻具同尺寸的圆柱杆横截面，E为钻具材质的杨氏弹性模量，R为与钻具同尺寸的圆柱杆横截面半径，I_z为与钻具同尺寸的圆柱杆的惯性矩，sin(2γ)＝a，μ为钻具材质的泊松比，cos(2γ)＝b。