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在隨鉆密度儀器的設計過程中，儀器機械部分的設計是一項十分重要的工作。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，安裝在U形槽內，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、導流等要求，鉆挺上U形槽的尺寸有嚴格限制，因此要求對放置探測器的隨鉆密度儀器的鉆挺本體進行強度分析計算，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算模型，進行扭一壓載荷下的仿真模擬，并得出一些有益的結論。
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，在其中一個扶正器內加工U形槽，將密度測量探頭裝入密度測量模塊抗壓筒內，安裝在扶正器的U形槽內。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，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、導流等要求，鉆挺上U形槽的尺寸有嚴格限制。利用實體建模技術，生成實體模型，然后對實體模型劃分網(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�？紤]到隨鉆測量儀器的受力主要是由扭矩產(chǎn)生的剪切應力，因此在這里以第四強度理論(CVonmises八面體剪應力準則)為依據(jù)，并遵循Mesis準則的4個假定：各向同性，與靜水壓無關，單向拉、壓屈服應力相同，屈服面為凸形。
在機械結構的有限元分析中，鉆壓的施加比較簡單，而如何正確施加扭矩在實際操作中比較困難。扭矩，實際上就是力學里面力矩。如果有大小相等，作用方向相反但不在一條直線上的兩個力，這兩個力的合成效果就是一個力矩M，它使結構產(chǎn)生扭轉變形趨勢。力矩M的大小等于力F乘以兩個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)這個原理，就產(chǎn)生了一種施加扭矩的辦法：把力矩等效轉換為作用在節(jié)點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圓周表面上的，設要施加的總力矩大小為M。等效后，作用在每個圓柱表面節(jié)點上的力為f。由于此式中M，d是已知的，故由此即可算出等效到每個節(jié)點上的力f。當然，力f的方向應該沿著圓周的切向。在ANSYS中，把坐標系轉換為柱坐標，即可施加圓周切向力，這種方法雖然理論上是可行的，實際操作起來會受到諸多限制。如：①圓周方向節(jié)點數(shù)目必須為偶數(shù)，因為只有偶數(shù)個節(jié)點，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，必然多出一個力來，總的合成效果是力+力矩。②必須手工計算作用在各個節(jié)點上的等效力。且不說手工計算繁瑣，如果重新劃分網(wǎng)格時，改變了單元分布數(shù)目，則等效力必須重新計算，麻煩無比。③如果扭矩是作用在端面上，由于端面節(jié)點分布不規(guī)律，等效計算更是無從談起了。
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