极地研究

作者：史怀忠,孙金铭,赫文豪,王海柱,熊超,陈晗,胡成涛

单位：1中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室,北京 102249;2中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;3中国石油大学(北京)理学院能源交叉学科基础研究中心,北京 102249

关键词：切削刀头,冰层钻进,数值模拟,变异系数,冰屑,极地钻探

基金：国家重点研发计划和中国石油大学(北京)科研基金

冰的力学性质是极地钻探极其重要的参数,主要包括压缩强度、抗拉强度、断裂韧度等。本文利用有限元数值模拟方法分析了刮削刀头切削破碎冰层特性,根据平均切削力和切削力变异系数来探究刮削刀头受力特征,并开展了切削工艺参数对刮削刀头切削破碎冰层效率的影响规律研究。数值模拟结果表明, (1)刮削刀头切削破冰过程中,在刀头前端有明显的应力集中现象,且在整个切削过程中,伴随着离散状冰屑的产生与四溅; (2)随着刮削刀头后倾角的增加,冰体塑性损伤程度增加、冰屑尺寸先减小后增大,随着切深的增加,塑性损伤程度增加,冰屑尺寸变化、飞溅范围也相应增大; (3)切削深度和后倾角的增加均会增大冰体的平均切削力,但后倾角在0°~15°、切深在1.0~3.0mm这一范围内变化时波动小; (4)切削深度对切削力变异系数的影响显著于后倾角,小切深对应小切削力变异系数,但增大切深不代表变异系数一定升高。本研究成果可为极地钻探破冰中刮削刀头的设计提供理论依据。

来源：2025年第1期

《极地研究》期刊编辑部

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