钻柱模型实验平台测控系统的设计

　　0　引言

　　钻柱是进行钻进的重要工具。目前对钻柱的研究方法主要有解析法、有限元法和模型试验法。传统的解析法难以精确和全面地认识钻柱;有限元法受限于软件的好坏即模拟的真实性和使用的适应性。模型试验方法是以相似理论为基础,建立模型,运用模型进行模拟实验。其试验结果可推广应用到与之相似的对象上,能够研究直接实验无法进行的对象。模型试验在许多领域得到了广泛的应用,但在钻柱研究领域的应用还处于初步的尝试阶段。国内有一些学者如江进国教授已经对钻柱模型试验的理论进行了一些研究。总的来说很少有学者运用实　　验室建模的方法研究钻柱,缺乏实验条件是一个重要原因。根据相似理论建立钻柱模型、确定模型实验方案,运用先进的嵌入式技术和计算机技术,模拟实际工况建立一个钻柱模型试验平台,这对钻杆的结构设计、加工工艺设计、工程施工、实验测试、失效分析都具有十分重要的意义。

　　1　钻柱模型实验方案的确定

　　为保证钻柱模型试验的结果能够相似地还原到原结构,需遵循相似原则确定模型的尺寸、材料、运动、边界条件、初始条件、模拟载荷。下面以典型的研究钻柱扭应力的模型试验为例说明模型试验的原理以及钻柱模型试验方案的确定方法。钻柱原型及模型规格见表1,材料为40Mn2Si,采用模型试验法研究该钻柱的扭应力。

　　(1)模型尺寸的确定

　模型尺寸和原型应完全相似,各个结构尺寸按同一比例缩放。根据

　　(2)模型材料的确定

　选用模型材料尽可能地选用与原型结构相同的材料。钻柱模型材料选用与原型相同的材料即40Mn2Si.

　　(3)模型运动的确定

　运动相似是指模型和原型之间的对应点在对应时刻,速度du/dt(加速度d2u/dt2)互成比例。遵循

　　(4)边界条件相似

　钻孔内工况非常复杂,在进行模型试验时既需要对边界条件进行必要的简化,又尽量与实际工况相近。孔壁选用高强度透明的材料,孔内适当注入液体。

　　(5)初始条件相似

　对于动态过程,各物理量在某一时刻的值取决于该现象的变化规律和初始条件。相似理论要求模型各变量的初始值与原型各变量初始值的比例尺等于其相应参数的比例尺。

      (6)模拟载荷的确定

　给模型加载模拟载荷要能反映原型上的载荷。据

　　把式(8)和式(9)代入式(7)可以确定所需加载在模型上的模拟载荷。

　　在模型上加载合适的模拟载荷后,检测模型剪应变量γm,根据