基于光纤光栅的钻杆冲击动力学特性研究

【摘要】近年来，航天、航空、石油、土木和海洋工程等大型结构系统的监测技术正向着高精度化发展，以至其动力学问题也日益复杂。因此必须对其进行高质量的动态测试和分析，以确保工程的可靠性，并降低成本。传统的电磁式传感技术已经远不能满足高精度的要求。光纤光栅传感作为一种新兴的传感技术，具有电磁式传感器所无法企及的优点，其精度高、质量轻、体积小，并且抗干扰，在实际工程中的应用越来越广泛。冲击钻具在工作过程中，不合适的冲击功率和钻具质量会影响系统结构的稳定性或造成成本浪费。同时，冲击过程中也伴随着振动，如果振动频率接近或达到钻具的固有频率，会使结构发生共振，使其不能正常工作，甚至导致钻进系统的损坏和人身伤亡事故。为此，在钻进系统设计时，尤其是在对功耗和质量要求很高的工程中（如航空航天工程），分析和检测钻具的动态特性是非常有必要的。本文从理论上对钻杆的冲击动力学特性进行了分析，以ANSYS有限元仿真结果作为指导，利用光纤光栅传感器对钻杆的固有频率和应力波传递进行了测量。主要工作包括以下几个方面：1.综合分析了光纤光栅的传感特性、解调方法及应用，简述冲击动力学参数测量技术的研究现状，并比较不同检测方法的特点。2.从理论上讨论钻杆的波动力学特性和冲击振动特性，分析应力波在不同端面的反射和透射，建立冲击机构模型。提出利用光纤光栅对钻杆的冲击动力学特性进行检测的新方法。3.利用ANSYS有限元软件对钻杆进行模态仿真和非线性动力学仿真。得到冲击钻杆的前五阶固有频率分别为：537.94Hz、583.55Hz、1599.50Hz、1608.50Hz和2712.00Hz。对钻杆进行不同冲击速度的轴向冲击，得到杆上不同节点的应力时程以及不同时刻的应力分布云图。4.设计了基于光纤光栅的钻杆冲击动力学参数检测系统。通过锤击法测得钻杆的前五阶固有频率分别为：532.99Hz、625.40Hz、1593.80Hz、1728.30Hz和2642.44Hz。并监测不同冲击速度的单次冲击下应力波的传递情况，绘制检测节点的应变时程。通过比较实验结果与仿真结果，验证了利用光纤光栅检测钻杆冲击动力学特性的可行性。该研究为工程结构和机械系统的冲击动力学参数检测提供了一种新的方法。
【作者】薛航；
【导师】余有龙；
【作者基本信息】合肥工业大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】钻杆；光纤光栅传感器；冲击动力学；有限元仿真；

【参考文献】
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