CN112949135B - 一种双倾斜工作唇面表镶金刚石钻头模型的网格划分方法 - Google Patents
一种双倾斜工作唇面表镶金刚石钻头模型的网格划分方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双倾斜工作唇面表镶金刚石钻头模型的网格划分方法，包括以下步骤：1）根据表镶金刚石钻头的实际结构建立该表镶金刚石钻头的三维模型，将钻头的三维模型划分钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型，并单独保存；2）对钻柱模型进行六面体网格划分；3）对钻头水口模型进行六面体网格划分；4）对钻头唇面模型进行网格划分；5）将各部件生成的网格进行整合。本发明可以获得过渡平缓，质量合格且适用于显示动力学有限元分析的表镶金刚石钻头的网格模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种双倾斜工作唇面表镶金刚石钻头模型的网格划分方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速增长，能源资源的需求愈加增大，由于陆地能源资源开发殆尽，人们已将目光投放到广袤的海洋能源资源，海洋能源资源的开采则需要生产平台，生产平台主要包括海底生产设备、水面控制模块、铠装脐带缆三部分，海底生产设备就是依靠深海海底钻机来进行生产的。而搭载在深海海底钻机上的金刚石钻头不宜更换，由于海底地层环境复杂，钻机在钻进过程中会遇到不同硬度及材质的岩石，这些复杂因素可能会导致钻头的加速磨损，从而降低取芯效率。因此，开展金刚石钻头在钻进过程中的钻头各个单元的动态响应分析，是指导金刚石钻头结构设计，确保金刚石钻头具有高可靠性的关键。
构建高质量的金刚石钻头有限元分析模型，是开展金刚石钻头的动态响应分析的基础，作为金刚石钻头有限元分析前处理步骤，对金刚石模型进行高质量的网格划分，是获得金刚石钻头有限元分析模型前提，传统的金刚石钻头模型网格划分方法是利用有限元分析软件对金刚石钻头模型整体进行网格自动划分，然后再对划分后的金刚石钻头模型的网格进行部分调整，去除偏差过大的网格，这种金刚石钻头模型网格自动划分方法的技术要求低、网格整体质量较差，这种质量较差的网格构成的金刚石钻头模型对金刚石钻头的动态响应分析的计算精度有着非常大的影响。
由于金刚石钻头本身结构较为复杂，尤其在唇面部分镶嵌有细小的金刚石颗粒，那么为了获得较高质量的精密的金刚石钻头模型网格，需要对金刚石钻头模型各部分进行网格划分，且针对不同的金刚石钻头部位采用不同的网格划分方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种精度高，可以获得过渡平缓，质量合格且适用于显示动力学有限元分析的双倾斜工作唇面表镶金刚石钻头模型的网格划分方法。
本发明采用的技术方案是：一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，所述表镶金刚石钻头包括钻柱和钻头，钻柱前端与钻头连接，钻头包括沿圆周方向设置的多个钻头唇面，相邻的钻头唇面之间通过钻头水口连接；钻头唇面上镶嵌有金刚石颗粒；
包括以下步骤：
1）根据表镶金刚石钻头的实际结构建立该表镶金刚石钻头的三维模型，将钻头的三维模型划分钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型；把金刚石钻头的三维模型导入网格划分软件，单独保存金刚石钻头的钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型；
2）对钻柱模型进行六面体网格划分
2.1）钻柱模型后部为圆管结构，前部为上小下大的锥管结构，圆管结构和锥管结构具有外相贯线和内相贯线；建立过钻柱模型中心线且相互垂直的辅助面I和辅助Ⅱ，和平行于钻柱模型底面的辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ，辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ分别过内相贯线和外相贯线，以辅助面I、辅助Ⅱ、辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ对钻柱进行切割；
2.2）设置网格类型为结构网格；
2.3）在钻柱模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，然后生成并预览网格，保存网格；
3）对钻头水口模型进行六面体网格划分
3.1）钻头水口模型的前部为截面为直角梯形的四棱柱，后部为截面为长方形的四棱柱；以钻头水口后部的前端面为辅助面，对钻头水口模型进行切割；
3.2）设置网格类型为结构网格；
3.3）在钻头水口模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，生成并预览网格，保存网格；
4.对钻头唇面模型进行网格划分
4.1）设置网格类型为自由网格；
4.2）在钻头唇面模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，生成并预览网格，保存网格；
5）将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型生成的网格进行整合。
上述的双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法中，所述步骤1）中，对金刚石钻头进行切割，并单独保存金刚石钻头的各个部分具体过程如下：
在SolidWorks中创建金刚石钻头的三维模型，做一平行于z轴且过钻柱与钻头衔接处的辅助面，选择面切割工具对金刚石模型整体进行切割，得到钻柱模型与钻头模型；然后将钻柱模型隐藏，选择钻头唇面模型两侧各面为面切割的工具面，对钻头模型前端进行切割，将钻头唇面模型与钻头水口模型分离开来，这样就将钻头的三维模型划分为钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型三个部分；
将模型保存为x_t格式，打开Aabqus/CAE软件并将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型导入其中，在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头唇面模型作为Part-1~5，在Merge选项中选择Geometry，在OriginalInstances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，这样就将钻头唇面整合为一整体；
然后在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头水口模型作为Part-6，在Merge选项中选择Geometry，在Original Instances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，将钻头水口也整合为一整体。
上述的双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法中，步骤2）的具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻柱模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻柱模型，打开Element Type界面，在Element Library中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；在工具栏中选择Partition Cell中的Define Cutting Plane选项，框选钻柱模型，点击钻柱模型下方的Point & Normal，选择钻柱模型外表面上的折点，再选择垂直于底面的一条直线作为切割方向对模型进行切割；然后对钻柱模型内表面上的折点重复此切割操作；选择工具栏中的Create Datum Plane:Offset From Principal Plane，选择钻柱模型下方的XZ Plane和YZ Plane创建两个参考平面；选择工具栏中Partition Cell中的Use Datum Plane选项，框选钻柱模型，对钻柱模型进行两次切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻柱模型，打开MeshControls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，根据要求设置全局网格大小；接着选择工具栏中Seed Edges选项，对钻柱模型上下面内外径边缘部分设置网格大小；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻柱模型就行网格划分，即可获得钻柱模型的六面体网格模型。
上述的双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法中，步骤3）具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头水口模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头水口模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；然后在工具栏中选择Partition Cell中的Define Cutting Plane选项，框选钻头水口模型，点击钻头水口模型下方的Point & Normal，并选择模型中间平面上一点，再选择垂直于该平面的一条直线作为切割方向对模型进行面切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头水口模型，打开Mesh Controls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，根据要求设置全局网格大小；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头水口模型边缘部分设置网格大小；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻头水口模型就行网格划分，即可获得钻头水口模型的六面体网格模型。
上述的双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法中，步骤4）的具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头唇面模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头唇面模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress，其余保持默认选项；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头唇面模型，打开Mesh Controls界面，选择ElementShape选项中的Tet，在Technique中选择Free为设置为自由网格类型；然后选择工具栏中Seed Part选项，设置全局网格大小；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头唇面模型与钻头水口模型和钻柱模型的衔接处设置相应的边缘网格种子数量和大小，对镶嵌在唇面表面上的金刚石颗粒设置合适的网格种子数量和大小；最后选择工具栏中的Mesh Part选项，对钻头唇面模型进行网格划分，即可获得钻头唇面模型的网格模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据金刚石钻头结构，在建立其三维模型的基础上划分为不同部位，通过对其三维模型进行切割，获得钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型。根据钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型的大小，分别设置全局网格最大尺寸，设定各部件的边缘网格大小，并更新网格，最后将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型所生成的网格加载到一起，形成网格单元均匀，过渡平缓的高质量金刚石钻头模型网格，进而有效提高金刚石钻头有限元分析精度。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的表镶金刚石钻头的正视图。
图3是本发明的表镶金刚石钻头的俯视图。
图4是本发明的表镶金刚石钻头整体切割方案主视图。
图5是本发明的表镶金刚石钻头整体切割方案仰视图。
图6是钻柱模型切割示意图。
图7是钻柱模型的网格的主视图。
图8是钻柱模型的网格的后视图。
图9是钻头水口模型切割示意图。
图10是钻头水口模型的网格示意图。
图11是钻头唇面模型边缘种子分布示意图。
图12是钻头唇面模型的网格主视图。
图13是钻头唇面模型的网格后视图。
图14是自动生成网格划分的表镶金刚石钻头模型网格示意图。
图15是本发明划分的表镶金刚石钻头模型网格示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图2、图3所示，所述的表镶金刚石钻头是由钻柱1与钻头3烧结而成，所述的钻头包括多个钻头唇面31，多个钻头唇面31沿圆周方向均匀布置，相邻的钻头唇面31之间通过钻头水口2连接；钻头唇面31上镶嵌有金刚石颗粒4。
如图1所示，本发明包括如下步骤：
一）在SolidWorks中创建金刚石钻头的三维模型，做一平行于z轴且过钻柱与钻头衔接处的辅助面，选择面切割工具对金刚石模型整体进行切割，得到钻柱模型与钻头模型；然后将钻柱模型隐藏，选择钻头唇面模型两侧各面为面切割的工具面，对钻头模型前端进行切割，将钻头唇面模型与钻头水口模型分离开来，这样就将钻头的三维模型划分为钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型三个部分；
将模型保存为x_t格式，打开Aabqus/CAE软件并将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型导入其中，在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头唇面模型作为Part-1~5，在Merge选项中选择Geometry，在OriginalInstances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，这样就将钻头唇面整合为一整体；
然后在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头水口模型作为Part-6，在Merge选项中选择Geometry，在Original Instances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，将钻头水口也整合为一整体。
二）对钻柱模型进行六面体网格划分，其具体过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻柱模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻柱模型，打开Element Type界面，在Element Library中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；在工具栏中选择Partition Cell中的Define Cutting Plane选项，框选钻柱模型，点击钻柱模型下方的Point & Normal，选择钻柱模型外表面上的折点，再选择垂直于底面的一条直线作为切割方向对模型进行切割；然后对钻柱模型内表面上的折点重复此切割操作；选择工具栏中的Create Datum Plane:Offset From Principal Plane，选择钻柱模型下方的XZ Plane和YZ Plane创建两个参考平面；选择工具栏中Partition Cell中的Use Datum Plane选项，框选钻柱模型，对钻柱模型进行两次切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻柱模型，打开MeshControls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，设置全局网格大小为3.4；接着选择工具栏中Seed Edges选项，选择钻柱模型上下面内外径边缘部分设置网格大小，再选择Method中的by number，在Number of elements中输入25；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻柱模型就行网格划分，即可获得钻柱模型的六面体网格模型。
三）对钻头水口模型进行六面体网格划分，其具体过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头水口模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头水口模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；然后在工具栏中选择Partition Cell中的Define Cutting Plane选项，框选钻头水口模型，点击钻头水口模型下方的Point & Normal，并选择模型中间平面上一点，再选择垂直于该平面的一条直线作为切割方向对模型进行面切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头水口模型，打开Mesh Controls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，设置全局网格大小为1.6；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头水口模型边缘部分分别设置网格大小：选择梯形块的厚度边，再选择Method中的by number，在Number of elements中输入4，同样，设置梯形截面的下边缘网格种子数量为5；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻头水口模型就行网格划分，即可获得钻头水口模型的六面体网格模型。
四）对钻头唇面模型进行网格划分，其具体过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头唇面模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头唇面模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress，其余保持默认选项；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头唇面模型，打开Mesh Controls界面，选择ElementShape选项中的Tet，在Technique中选择Free为设置为自由网格类型；然后选择工具栏中Seed Part选项，设置全局网格大小为2.5；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头唇面模型与钻头水口模型和钻柱模型的衔接处设置相应的边缘网格种子数量和大小，选择对应边，再选择Method中的by number，在Number of elements中输入对应的网格种子数量，其中底面边缘种子数量为21，垂直于底面的外表面边缘种子数量为8，唇面外表面倾斜边边缘种子数量为10，对镶嵌在唇面表面上的金刚石颗粒设置合适的网格种子数量和大小，选择金刚石颗粒与钻头唇面的相贯线，设置金刚石颗粒边缘网格种子大小为0.7；最后选择工具栏中的Mesh Part选项，对钻头唇面模型进行网格划分，即可获得钻头唇面模型的网格模型。
五）将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型生成的网格进行整合。
Claims (5)
1.一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，所述表镶金刚石钻头包括钻柱和钻头，钻柱前端与钻头连接，钻头包括沿圆周方向设置的多个钻头唇面，相邻的钻头唇面之间通过钻头水口连接；钻头唇面上镶嵌有金刚石颗粒；
包括以下步骤：
1）根据表镶金刚石钻头的实际结构建立该表镶金刚石钻头的三维模型，将钻头的三维模型划分钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型；把金刚石钻头的三维模型导入网格划分软件，单独保存金刚石钻头的钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型；
2）对钻柱模型进行六面体网格划分
2.1）钻柱模型后部为圆管结构，前部为上小下大的锥管结构，圆管结构和锥管结构具有外相贯线和内相贯线；建立过钻柱模型中心线且相互垂直的辅助面I和辅助Ⅱ，和平行于钻柱模型底面的辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ，辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ分别过内相贯线和外相贯线，以辅助面I、辅助Ⅱ、辅助面Ⅲ、辅助面Ⅳ对钻柱进行切割；
2.2）设置网格类型为结构网格；
2.3）在钻柱模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，然后生成并预览网格，保存网格；
3）对钻头水口模型进行六面体网格划分
3.1）钻头水口模型的前部为截面为直角梯形的四棱柱，后部为截面为长方形的四棱柱；以钻头水口后部的前端面为辅助面，对钻头水口模型进行切割；
3.2）设置网格类型为结构网格；
3.3）在钻头水口模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，生成并预览网格，保存网格；
4）对钻头唇面模型进行网格划分
4.1）设置网格类型为自由网格；
4.2）在钻头唇面模型上施加网格种子，设置全局网格最大尺寸，再设置边缘种子数量和大小，生成并预览网格，保存网格；
5）将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型生成的网格进行整合。
2.根据权利要求1所述的一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，所述步骤1）中，对金刚石钻头进行切割，并单独保存金刚石钻头的各个部分具体过程如下：
在SolidWorks中创建金刚石钻头的三维模型，做一平行于z轴且过钻柱与钻头衔接处的辅助面，选择面切割工具对金刚石模型整体进行切割，得到钻柱模型与钻头模型；然后将钻柱模型隐藏，选择钻头唇面模型两侧各面为面切割的工具面，对钻头模型前端进行切割，将钻头唇面模型与钻头水口模型分离开来，这样就将钻头的三维模型划分为钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型三个部分；
将模型保存为x_t格式，打开Aabqus/CAE软件并将钻柱模型、钻头唇面模型及钻头水口模型导入其中，在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头唇面模型作为Part-1~5，在Merge选项中选择Geometry，在Original Instances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，这样就将钻头唇面整合为一整体；
然后在Assembly模块中选择Merge/Cut Instances进行布尔运算，分别选择被分割开的钻头水口模型作为Part-6，在Merge选项中选择Geometry，在Original Instances选项中选择Suppress，再在Geometry选项中选择Remove，将钻头水口也整合为一整体。
3.根据权利要求1所述的一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，步骤2）的具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻柱模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻柱模型，打开Element Type界面，在Element Library中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；在工具栏中选择Partition Cell中的DefineCutting Plane选项，框选钻柱模型，点击钻柱模型下方的Point & Normal，选择钻柱模型外表面上的折点，再选择垂直于底面的一条直线作为切割方向对模型进行切割；然后对钻柱模型内表面上的折点重复此切割操作；选择工具栏中的Create Datum Plane: OffsetFrom Principal Plane，选择钻柱模型下方的XZ Plane和YZ Plane创建两个参考平面；选择工具栏中Partition Cell中的Use Datum Plane选项，框选钻柱模型，对钻柱模型进行两次切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻柱模型，打开Mesh Controls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，根据要求设置全局网格大小；接着选择工具栏中Seed Edges选项，对钻柱模型上下面内外径边缘部分设置网格大小；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻柱模型就行网格划分，即可获得钻柱模型的六面体网格模型。
4.根据权利要求1所述的一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，步骤3）具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头水口模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头水口模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress；然后在工具栏中选择Partition Cell中的Define Cutting Plane选项，框选钻头水口模型，点击钻头水口模型下方的Point & Normal，并选择模型中间平面上一点，再选择垂直于该平面的一条直线作为切割方向对模型进行面切割；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头水口模型，打开Mesh Controls界面，选择Element Shape选项中的Hex，在Technique中选择Structured为设置为结构网格；然后选择工具栏中Seed Part选项，根据要求设置全局网格大小；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头水口模型边缘部分设置网格大小；选择工具栏中Mesh Part选项，对钻头水口模型就行网格划分，即可获得钻头水口模型的六面体网格模型。
5.根据权利要求1所述的一种双倾斜工作唇面形表镶金刚石钻头模型网格划分方法，步骤4）的具体操作过程如下：
打开Mesh模块，选择Object中的Part，下拉列表选择并打开钻头唇面模型；在工具栏中选择Assign Element Type，框选钻头唇面模型，打开Element Type界面，在ElementLibrary中选择Explicit，并选择右侧Family中的3D Stress，其余保持默认选项；在工具栏中找到Assign Mesh Controls，框选钻头唇面模型，打开Mesh Controls界面，选择ElementShape选项中的Tet，在Technique中选择Free为设置为自由网格类型；然后选择工具栏中Seed Part选项，设置全局网格大小；选择工具栏中Seed Edges选项，对钻头唇面模型与钻头水口模型和钻柱模型的衔接处设置相应的边缘网格种子数量和大小，对镶嵌在唇面表面上的金刚石颗粒设置网格种子数量和大小；最后选择工具栏中的Mesh Part选项，对钻头唇面模型进行网格划分，即可获得钻头唇面模型的网格模型。
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| 金刚石钻头井底流场CFD模拟研究;潘晓毅等;《金刚石与磨料磨具工程》;20160931(第04期);全文 * |
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| CN112949135A (zh) | 2021-06-11 |
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