[发明专利]一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法

权利要求书

1.一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，其特征在于，其方法步骤为：

①产生初始布齿结构，初始布齿结构的数量m大于布齿参数的维度n，初始布齿结构构成集合X；

其中，每一个初始布齿结构对应一组布齿参数；所述的布齿参数包括PDC钻头上切削齿的前倾角参数、侧转角参数、法向角参数、周向角参数、轴向位置参数和径向位置参数；所述布齿参数维度n是指参与PDC钻头侧向力平衡布齿设计的布齿参数的个数；

②计算切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得到不同布齿结构下PDC钻头在各个磨损时刻所受的侧向力；

③根据各个磨损时刻PDC钻头所受侧向力，得出PDC钻头侧向力的平均值Y；

④根据集合X和PDC钻头侧向力平均值Y构建函数模型F；

所述的函数模型F的构建方法为，首先设置预估函数模型为其中x_i是集合X中的某一元素，y(x_i)是第x_i组布齿结构对应的PDC钻头侧向力的平均值，p是任意一组布齿结构，为预估函数模型，λ_i为公式中的待定系数；其次，令预估函数模型中的同时保证取值最小，其中γ(x_i,x_j)为x_i和x_j之间的半方差，γ(x_i,p)为x_i和p之间的半方差；联立上述方程即可求得函数模型F；

⑤基于函数模型F，寻找最佳布齿结构p₀，所述的最佳布齿结构p₀是指拥有最小侧向力平均值的布齿结构；

所述的寻找最佳布齿结构p₀的方法为：(a)给定100组布齿结构P＝{p₁，p₂,…,p_s,…,p₁₀₀},并给定每组布齿结构的异化速度V＝{v₁，v₂,…,v_s,…,v₁₀₀}；(b)基于函数模型F计算布齿结构P对应的PDC钻头侧向力均值，找到p_s的历程求解中PDC钻头侧向力均值最小时对应的布齿结构p_best，同时找到{p₁，p₂,…,p_s,…,p₁₀₀}的历程求解中PDC钻头侧向力均值最小时对应的布齿结构g_best；(c)按公式更新异化速度，其中r₁和r₂为两个独立的随机变量，取值在0～1之间，(iter)代表第iter次迭代；按公式P^(iter+1)＝P^(iter)+V^(iter)更新布齿结构；(d)判断迭代次数(iter)是否达到最大迭代数1000，如果迭代次数(iter)小于1000，则重复步骤(b)和(c)，如果迭代次数(iter)等于1000，则输出最佳布齿结构p₀，此时的p₀即{p₁，p₂,…,p_s,…,p₁₀₀}的历程求解中PDC钻头侧向力均值最小时对应的布齿结构g_best；

⑥判断最佳布齿结构p₀是否属于集合X，如果最佳布齿结构p₀属于集合X，则进行步骤⑦；如果最佳布齿结构p₀不属于集合X，则跳过步骤⑦～⑨，直接执行步骤⑩；

⑦产生新的布齿结构，新的布齿结构构成集合X’；

⑧计算切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得到集合X’对应的PDC钻头侧向力平均值Y’；

⑨令X”＝X+X’；Y”＝Y+Y’；根据集合X”和PDC钻头侧向力均值Y”构建函数模型F’；并寻找最佳布齿结构p₀’；跳过步骤⑩，直接执行步骤

函数模型F’的构建方法同步骤④；寻找最佳布齿结构p₀’的方法同步骤⑤；

⑩令F’＝F，p₀’＝p₀，X”＝X，Y”＝Y；

计算最佳布齿结构p₀’所对应的切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得出最佳布齿结构p₀’所对应的PDC钻头侧向力均值Y_Z；

基于函数模型F’计算最佳布齿结构p₀’对应的PDC钻头侧向力均值Y_G；

判断Y_Z和Y_G之间的相对误差E_ZG是否小于ε；如果E_ZG≥ε，则进行步骤如果E_ZGε，则跳过步骤直接执行步骤

其中，所述的相对误差ε等于5％；

基于函数模型F’寻找不属于集合X”的特殊布齿结构p”；

所述的特殊布齿结构p”是指基于函数模型F’计算出侧向力均值与均方差的比值最小所对应的布齿结构；

计算特殊布齿结构p”所对应的切削齿的磨损高度和切削齿所受的侧向力，得出特殊布齿结构p”所对应的PDC钻头侧向力均值y”；

令X＝X”+p”；Y＝Y”+y”，返回步骤④；

输出最终布齿结果，即布齿结构p₀’及其对应的PDC钻头侧向力均值Y_Z。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动态磨损的PDC钻头侧向力平衡布齿方法，其特征在于：所述的产生初始布齿结构的方法为将每一维布齿参数的变化区间划分为m等分区间，在保证每一维布齿参数在每一个m等分区间上只出现一次的前提下，抽取m组布齿参数，m组布齿参数即构成初始布齿结构。