Аннотация: Задачи: Поликристаллический алмазный компакт (PDC) - это композитный материал сверхвысокой твердости, изготовленный из поликристаллического алмаза (PCD) и цементированного карбида путем спекания при высокой температуре и высоком давлении. PDC широко используется при добыче нефти и газа, разработке геотермальных месторождений и бурении угольных месторождений. По мере углубления бурения пластовое давление увеличивается, а слои геологической породы становятся плотнее, тверже и абразивнее. Поэтому требования к комплексным характеристикам бурового долота и PDC становятся все более высокими. Наличие остаточного теплового напряжения может значительно ухудшить характеристики PDC, вызывая разрушение и отслоение слоя PCD, что является одним из важных факторов, приводящих к преждевременному выходу PDC из строя. Предыдущие методы исследования для определения остаточных термических напряжений в PDC имеют определенные ограничения. Расчеты методом конечно-элементного моделирования могут эффективно компенсировать эти недостатки. Поэтому в данной работе с помощью программы ANSYS Workbench рассчитывается и анализируется влияние соотношения толщины слоя PCD и слоя цементированного карбида в PDC и диаметра PDC на остаточное тепловое напряжение, что дает рекомендации по оптимизации конструкции PDC и улучшению характеристик. Методы: ANSYS является одним из наиболее часто используемых программных продуктов для конечно-элементного анализа, который может эффективно интегрировать несколько дисциплин, таких как структурная динамика, термодинамика и гидродинамика для имитационных расчетов. Используя ANSYS, можно создать модель PDC (в предположении, что температура не влияет на физические свойства материалов) и проанализировать остаточные тепловые напряжения PDC с помощью метода термомеханической связи (который решает проблему влияния температурного поля на напряжение, деформацию и смещение в структуре).
Конкретный процесс расчета в данном исследовании выглядит следующим образом: (1) Выбор метода расчета стационарного температурного поля и связи поля структурной механики.
(2) Создание геометрической модели PDC. В соответствии с осесимметричными характеристиками PDC, установите его 1/4 структуру для экономии вычислительного пространства.
(3) Определите физико-механические свойства слоя PCD и слоя цементированного карбида, а затем выполните разбиение сетки.
(4) Установите граничные условия и нагрузки, используя разность температур в качестве нагрузки, задайте опорную температуру, включая температуру релаксации напряжений в PDC, осесимметричные граничные условия модели, а также граничные условия тепловой конвекции между внешней поверхностью PDC и воздухом.
(5) Выполните расчет и анализ результатов.
Результаты: Используя программное обеспечение для моделирования расчета величины и распределения остаточных термических напряжений в процессе разгрузки и охлаждения PDC,
можно сделать следующие выводы: (1) Расчеты в ANSYS показывают, что при диаметре PDC 16 мм и общей толщине 13 мм оптимальная толщина слоя PCD составляет 2,0 мм;
(2) Когда толщина слоя PCD составляет 2,0 мм, диаметр композитной детали может быть выбран равным 18 мм, а остаточное тепловое напряжение для данной спецификации PDC имеет наилучшее значение в расчетном диапазоне. Когда толщина слоя PCD составляет 3,0 мм, решение не может быть принято на основе одного влияния остаточных термических напряжений; оно должно основываться на конкретной ситуации применения и условиях нагрузки с комплексным учетом влияния четырех остаточных термических напряжений;
(3) Точка диаметра PDC 17 мм является одной из многих точек колебаний, которая может быть критической точкой. В это время радиальное смещение интерфейса вдали от центральной оси PDC резко изменяется, что приводит к изменению прогиба всего PDC, и осевое растягивающее напряжение на краю интерфейса изменяется. Выводы: Метод расчета методом конечных элементов может интуитивно и четко смоделировать величину и распределение остаточных термических напряжений в процессе разгрузки и охлаждения PDC, а также эффективно избежать недостатков других экспериментальных испытаний. Он может дать полезные идеи и предложения для проектирования PDC, анализируя влияние двух размеров внешнего вида, толщины композитного слоя и диаметра на остаточное тепловое напряжение PDC, и делая соответствующие выводы. Основываясь на выдающихся результатах имитационного расчета, полученные выводы проверяются экспериментами для обеспечения надежности конечных результатов
