根据逻辑顺序和内在联系本文分为六个章节来阐述矿用牙轮钻头的CAE研究的思路和过程.第一章:绪论.在这一章首先介绍了选题的背景知识.包括牙轮钻机概况及发展、牙轮钻头的概况及发展,我国同矿用牙轮钻头先进国家的差距等.然后讨论了矿用牙轮钻头失效原因及影响钻头寿命的诸多因素.最后介绍了以ANSYS为平台的CAE技术,利用此技术对矿用牙轮钻头的大跑道、轴承、牙齿进行计算机辅助有限元动力学、线性、非线性分析,研究者能准确地找出其潜在的设计缺陷,确定最佳的结构几何参数、外形和材料热处理工艺,真正达到延长钻头工作疲劳寿命的目的.第二章:矿用牙轮钻头的设计和运动学研究.要开展矿用牙轮钻头的CAE研究,必须详细理解牙轮钻头钻井参数、钻头结构参数和较为准确的运动学原理.在这一章首先介绍了矿用牙轮钻头结构和工作原理,接着介绍了轴压力、钻头转数的计算和选取.然后讲解了钻头设计时主要的结构参数.最后讨论了矿用牙轮钻头运动学基本规律,并且摒弃了原有的将牙轮假设为光面锥轮的研究方法,以单锥多圈齿为研究对象,利用牙齿投影到大端齿圈变化规律探讨和推导了牙轮轴在钻头轴线方向上的加速度,着地齿的滑动速度和牙齿对孔底的冲击速度等全部运动学参数表达式.这些研究成为了后面矿用牙轮钻头CAE研究的运动学理论基础和依据.第三章:矿用牙轮钻头部件的工作模型.本章研究的主要目的是要了解矿用牙轮钻头的工作模型和载荷,本章首先讨论了牙爪和轴承的载荷分配情况,接着介绍了轴承的损坏力学和径向间隙选用的关系,然后介绍了牙齿过盈配合的预应力研究的情况.根据这些研究,可以简化牙爪为受冲击载荷作用的悬臂梁模型,轴承为受冲击作用的圆柱弹性接触模型,牙齿过盈配合为面—面接触模型等,并且为日后进行有限元研究时相关的配合参数的优化提供了依据.最后,本章的重中之重也是本文的重点是提出了矿用牙轮钻头的纵向动力学模型,而且根据赫兹弹性碰撞理论首次大胆地提出了融合在牙齿接触时间内的冲击时间和回复时间,推导了冲击破碎岩石大最大破碎碰撞力,平均破碎碰撞力.这成为后面矿用牙轮钻头的CAE研究的动力学理论模型基础.第四章:矿用牙轮钻头牙爪和轴承的CAE研究.本章以KY250矿用牙轮钻头在单轴抗压强度为160Mpa的极硬岩条件下工作情况为计算实例,按照前几章的论述首先计算了牙齿对孔底的最大冲击速度,接着计算了一个牙爪在一次冲击内碰撞力的变化和这些力在轴承跑道上径向和轴向的分配情况.然后计算了总接触时间、冲击时间和回复时间.最后在ANSYS平台上对该矿用牙轮钻头的牙爪进行了瞬态动力学研究,得出了牙爪在一次冲击碰撞力最大时的应力、应变分布图:得出了牙爪的危险应力应变部位和此部位在一次冲击循环下应力变化曲线:对滚柱轴承进行了接触非线性研究,得出了轴承在最大冲击力时的接触应力.这些结果有利于对牙爪和轴承寿命和热处理几何参数进行分析研究.并且由于知道了牙爪大跑道、轴承的最大位移,为选取合理的轴承径向间隙提供了依据.第五章:矿用牙轮钻头牙齿的CAE研究.首先对牙齿进行了过盈配合预应力研究.本章依据ANSYS接触非线性分析技术,对牙齿和牙轮齿孔进行了面面接触分析,得出了过盈配合中牙齿、齿孔的应力、应变分布图,确定了危险部位.然后,研究了在此条件下,牙齿受最大冲击力时与岩石接触部位的应力、应变情况.另外,在论文的载荷加载过程中的一些数据输入,采用了基于钻头转速和钻压的参数化设计,以最优化钻井理论为基础.以最低进尺成本为目标函数,以钻头转速、钻压、牙齿最大应力为约束变量,在ANSYS平台上对矿用牙轮钻头进行了优化分析.第六章:结论与展望.本章介绍了本文主要完成的工作、意义以及局限性.指明了矿用牙轮钻头CAE研究的后序工作方向和矿用牙轮钻头自身赶超世界先进水平的发展方向.并对我国矿用牙轮钻头的前景进行了展望.