Текущая версия |
Ваш текст |
Строка 1: |
Строка 1: |
− | [[ТМ|Кафедра ТМ]] > [[Прикладные исследования]] > '''Вибрационное сверление''' <HR>
| + | Абердинский проект - обобщенное название серии научно-исследовательских проектов, посвященных исследованию разрушения горных пород по действием [[высокоскоростного вибрационного бурения]] (Resonance Enhanced Drilling, RED). Проект осуществляется сотрудниками [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]] совместно с сотрудниками Университета Абердина, Великобритания. |
− | | |
− | {{DISPLAYTITLE:<span style="display:none">{{FULLPAGENAME}}</span>}}
| |
− | <font size="5"> Абердинский проект</font>
| |
− | | |
− | [[Файл:Kings_College_Aberdeen.jpg|thumb|King's College, University of Aberdeen]]
| |
− | | |
− | Абердинский проект — общее название серии научно-исследовательских проектов, посвященных исследованию разрушения горных пород под действием вибрационного бурения (Resonance Enhanced Drilling, RED). Проект осуществляется сотрудниками [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]] совместно с сотрудниками [http://www.abdn.ac.uk/ Абердинcкого Университета] (Великобритания).
| |
| | | |
| ==История== | | ==История== |
− | В 1999 году [[А. М. Кривцов]] был приглашен профессором [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=m.wiercigroch Марианом Верчигрохом] в Абердинский университет по гранту [http://royalsociety.org/ Лондонского Королевского общества] на постдок (postdoctoral research) длительностью 18 месяцев. За время работы в Абердине А. М. Кривцовым совместно с М. Верчигрохом была [http://www.abdn.ac.uk/~eng373/index-G.html разработана] аналитическая модель | + | В 1999 году [[Антон Кривцов| А. М. Кривцов]] был приглашен профессором [[М. Вьерчигрохом]] в Абердинский университет на работу по контракту (postdoctoral research) длительностью 18 месяцев. За время работы в Абердине А. М. Кривцовым совместно с М. Вьерчигрохом была была разработана аналитическая модель, позволившая исследовать скорость удаления материала как функцию статической продольной силы (weight on bit, WOB) и амплитуды гармонической продольной силы, приложенных к буру. В 2001 году к проекту присоединилась [[Екатерина Павловская]], в результате чего была разработана более сложная модель, где были учтены вязко-упругие свойства горной породы. При этом движение системы осуществляется как смена фаз слипания-скольжения, и ее поведение может изменяться от периодического к хаотическому. Однако и эта, более сложная модель, не позволила в результате расчета выявить некоторые важные эффекты, которые проявляются в реальности и существенно влияют на характеристики бурения: износ и разрушение инструмента (бура), учет вращения бура, возможность сверления исключительно за счет статического воздействия на образец и пр. С целью скомпенсировать недостатки аналитической модели, А. М. Кривцовым было реализовано решение с использованием численной модели, основанной на использовании [[метода динамики частиц]], который успешно применяется для решения задач разрушения материалов. Рассматривалась двухмерная расчетная модель, так как даже с применением суперЭВМ моделирование трехмерных объектов методом динамики частиц требует больших вычислительных затрат. |
− | <ref name="Krivtsov_1999_DETC" /><ref name="Krivtsov_2000_CSF" />, позволившая исследовать скорость удаления материала как функцию статической продольной силы (weight on bit, WOB) и амплитуды гармонической продольной силы, приложенных к буру. При этом движение системы осуществляется как смена фаз слипания-скольжения, и ее поведение может изменяться от периодического к хаотическому
| |
− | <ref name="Wiercigroch_2005_JSV" />.
| |
− | С целью определения параметров аналитической модели и установления ее связи с экспериментом А. М. Кривцовым совместно с М. Верчигрохом была разработана компьютерная модель
| |
− | <ref name="Krivtsov_2001_MPM" /><ref name="Krivtsov_2004_ICTAM" />, основанная на использовании [[Метод динамики частиц|метода динамики частиц]], который успешно применяется для решения задач разрушения материалов. Компьютерная модель позволила учесть ряд важных эффектов, которые проявляются в реальности и существенно влияют на характеристики бурения, однако не описываются аналитической моделью: износ и разрушение инструмента (бура), учет вращения бура, возможность сверления исключительно за счет статического воздействия на образец и пр. Экспериментальное исследование вибрационного сверления<ref name="Wiercigroch_2005_JSV"/> проводилось [[Ежи Воевода|Ежи Воеводой]], приглашенным М. Верчигрохом для этой цели в Абердинский университет. В 2001 году к проекту присоединилась [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=e.pavlovskaia Екатерина Павловская], в результате чего была разработана более сложная аналитическая модель<ref name="Pavlovskaia_2003_JSV" /><ref name="Pavlovskaia_2004_CSF" />, где были учтены вязко-упругие свойства горной породы.
| |
− | <!--
| |
− | Рассматривалась двухмерная расчетная модель, так как даже с применением суперЭВМ моделирование трехмерных объектов методом динамики частиц требует больших вычислительных затрат. | |
− | -->
| |
− | | |
− | ==2009-2010 годы==
| |
− | | |
− | В 2009 году по инициативе [[Лобода Ольга|Ольги Лободы]] и [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=e.pavlovskaia Екатерины Павловской] сотрудничество двух университетов было возобновлено в рамках проекта 09-01-92603-КО_а "Моделирование хрупкого разрушения под действием динамических нагрузок", поддержанного [http://www.rfbr.ru РФФИ] и [http://royalsociety.org/ Лондонским Королевским обществом]. В результате работы в 2009-2010 гг. было проведено сравнение аналитической и компьютерной моделей. При этом численная модель была усовершенствована по сравнению с 2001 г. В 2009-2010 годах в рамках проекта проделана следующая работа:
| |
− | * введен более корректный учет статического и динамического продольного воздействия на инструмент (tool), позволяющий задавать динамическую нагрузку на бур, а не кинематическую; кроме того, нагрузка задается параметрически, выражаясь через крутящий момент реальной установки;
| |
− | * проведено и проанализировано порядка 800 вычислительных экспериментов;
| |
− | * построены оценочные зависимости скорости сверления материала от соотношения амплитуды динамической нагрузки и величины статической нагрузки;
| |
− | * проведено сравнение полученных результатов с простейшей аналитической моделью.
| |
− | В результате сравнения было показано, что характер зависимостей скоростей бурения от приложенной нагрузки для компьютерной и аналитической моделей сходен (имеется оптимальное с точки зрения скорости бурения соотношение амплитуд статической и динамической нагрузки), однако есть и различия. Причины расхождений связаны с тем, что компьютерная модель
| |
− | # является двумерной, в отличие от одномерной аналитической, то есть зависит от большего числа параметров;
| |
− | # лучше моделирует сопротивление образца, так как материал в компьютерной модели обладает порогом разрушения, тогда как в простейшей аналитической модели сверления образца продвижение бура идет при сколь угодно малой нагрузке.
| |
− | Результаты работы российской стороны за 2009-2010 год показаны Абердинским коллегам в рамках визита в апреле 2010 года, а также представлены на конференции Advanced Problems in Mechanics 2010<ref name="Berinskiy_2010_APM"/>. Также на конференции Advanced Problems in Mechanics 2010 была представлена работа Абердинских коллег<ref name="Ing_2010_APM"/>''ссылка на тезисы Екатерины Павловской''.
| |
− | | |
− | ==2010-2011 годы==
| |
− | | |
− | В 2010-2011 году работа была направлена на развитие компьютерной модели:
| |
− | * разработаны модели монокристаллического материала, монокристаллического материала с дефектами и поликристаллического материала;
| |
− | * предложено два подхода к моделированию хрупких материалов, различающихся используемыми потенциалами взаимодействия между частицами;
| |
− | * разработана компьютерная модель зубца бура, по форме соответствующая геометрии реального бура;
| |
− | * введено ограничение на крутящий момент, прикладываемый к буру, за счет чего ограничивается мощность бурения;
| |
− | * реализована возможность проведения пакетных расчетов на многопроцессорных вычислительных комплексах; проведено порядка 10000 вычислительных экспериментов с использованием ресурсов [http://www.jscc.ru/ Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН];
| |
− | * построены уточненные зависимости скорости удаления материала от соотношения динамической и статической составляющих действующей силы;
| |
− | * проведено сравнение с усовершенствованной аналитической моделью;
| |
− | * установлена регулярность результатов моделирования.
| |
− | | |
− | | |
− | == 2011-2012 годы==
| |
− | | |
− | ===Участники проекта===
| |
− | | |
− | Со стороны СПбГПУ, Россия
| |
− | {| class="wikitable"
| |
− | | Фамилия, И.О.
| |
− | | Уч. степень, должность
| |
− | | Роль в проекте
| |
− | |-
| |
− | | [[Антон Кривцов| Кривцов А.М.]]
| |
− | | Д.ф.-м.н., проф., зав. [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедрой]]
| |
− | | Руководитель проекта
| |
− | |-
| |
− | | [[Лобода О.С.]]
| |
− | | К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
| |
− | | Координатор
| |
− | |-
| |
− | | [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]]
| |
− | | К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
| |
− | | Старший исследователь
| |
− | |-
| |
− | | [[Ле-Захаров Сергей| Ле-Захаров С.А.]]
| |
− | | Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
| |
− | | Исследователь
| |
− | |-
| |
− | | [[Игорь Асонов| Асонов И.Е.]]
| |
− | | Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
| |
− | | Исследователь
| |
− | |}
| |
− | | |
− | Со стороны Абердинского университета, Великобритания
| |
− | | |
− | {| class="wikitable"
| |
− | | Имя и фамилия
| |
− | | Уч. степень, должность
| |
− | | Роль в проекте
| |
− | |-
| |
− | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia]
| |
− | | К.ф.-м.н., Professor, Aberdeen University
| |
− | | Руководитель проекта
| |
− | |-
| |
− | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/m.wiercigroch Marian Wiercigroch]
| |
− | | Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics, <BR> Aberdeen University
| |
− | | Научный консультант
| |
− | |-
| |
− | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/j.ing James Ing]
| |
− | | Ph.D., Lecturer, Aberdeen University
| |
− | | Исследователь
| |
− | |-
| |
− | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=o.k.ajibose Olusegun Ajibose]
| |
− | | Ph.D., Research Fellow, Aberdeen University
| |
− | | Исследователь
| |
− | |}
| |
− | | |
− | ===Результаты работы за 13.06.2011 - 24.06.2011===
| |
− | Результаты представлены в мини-отчете<ref name="Aberdeen2011report"/>, на докладе и на постере в рамках конференции APM в июле 2011 года <ref name="APM2011poster"/>
| |
− | ====Программная часть====
| |
− | * Реализована возможность импортирования исходных данных, констант и прочих параметров из текстового файла. Эта возможность может применяться при решении любых задач. Создан универсальный интерпретатор входного файла с возможностью расширения.
| |
− | * Внедрена и используется система контроля версий, позволяющая вести совместную работу над проектом. В результате существенно улучшен и унифицирован код. Множество программ для различных тестов собраны в одну, что позволяет более продуктивно проводить различные тесты и продолжать совершенствовать программу.
| |
− | * Ссылка на проект в системе контроля версий: [https://bitbucket.org/iasonov/2d-vibration-drilling-program/changesets bitbucket.org]. Там в режиме реального времени отображаются обновления.
| |
− | | |
− | ====Механическая часть====
| |
− | * Подготовлен тест по индентированию материала. Катя сказала, что похожие результаты они получали в эксперименте.
| |
− | * Переписан тест на растяжение (Stress-Strain) с использованием новых возможностей (управление из текстового файла + новые материалы)
| |
− | * Создана универсальная функция для создания любого из 12 материалов. Любой из материалов может быть легко использован в любом из тестов (индентирование, бурение, растяжение)
| |
− | ** Монокристалл, монокристалл с дефектами, поликристалл
| |
− | ** Хрупкий и нехрупкий материал
| |
− | ** '''Сжатая (NEW в поликристалле!)''' и несжатая сила.
| |
− | * Впервые получен поликристалл со сжатой силой взаимодействия. Технология приготовления:
| |
− | # приготовить обычный поликристалл
| |
− | # постепенно увеличить коэффициент сжатия, добиваясь на каждой итерации остывания образца и уменьшая внутренние напряжения
| |
− | * Проведены тестовые расчеты
| |
− | | |
− | ====В разработке====
| |
− | * Тесты по индентированию, растяжению и бурению 'реальных' материалов
| |
− | * MPI-версия обновленной программы (проблемы с работой с файловой системой в Linux)
| |
− | | |
− | ===Результаты, представленные в магистерской работе [[Асонов И.Е.|И.Е. Асонова]]===
| |
− | [[Файл:Aberdeen Poly200 erased.PNG|right|200px|thumb|Модельный материал. Удалены частицы, имеющие по 6 соседей]]
| |
− | [[Файл:Aberdeen potential al2.png|left|200px|thumb|Потенциал сглаженного взаимодействия, где a - равновесное расстояние, D - энергия связи потенциала Леннард-Джонса]]
| |
− | * Создан модельный поликристаллический материал со сжатым сглаженным взаимодействием между частицами
| |
− | * Для сжатого и сглаженного взаимодействия посчитаны изменения микропараметров (в первую очередь - потенциала сглаженного взаимодействия)
| |
− | [[Файл:Aberdeen Stretching Asonov.png|right|300px|thumb|Тест на одноосное растяжение над 4мя образцами модельного материала. Для сравнения добавлен монокристллический модельный материал]]
| |
− | * Над разработанным модельным материалом проведен тест на одноосное растяжение
| |
− | * Определена скорость распространения продольной волны в поликристалле (она составляет ~85% от скорости продольной волны в монокристалле)
| |
− | | |
− | | |
− | | |
− | | |
− | | |
− | | |
− | | |
− | | |
− | == Литература ==
| |
− | | |
− | <references>
| |
− | | |
− | <ref name="Krivtsov_1999_DETC">Krivtsov A.M., Wiercigroch M. Nonlinear Dynamics of Percussive Drilling of Hard Materials. CD Proc. Of 1999 ASME Int. Design Engineering Techn. Conf.: 17th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise, Las Vegas, Nevada, DETC99/VIB-8033. 1999. 6p. [http://www.ipme.ru/ipme/labs/msm/Pub/Krivtsov_1999_DETC.pdf (84 Kb)]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Krivtsov_2000_CSF">Krivtsov A.M., Wiercigroch M. Penetration Rate Prediction for Percussive Drilling via Dry Friction Model. Chaos, Solitons & Fractals, 2000, 11(15), 2479-2485. [http://www.ipme.ru/ipme/labs/msm/Pub/Krivtsov_2000_CSF.pdf (215 Kb)]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Wiercigroch_2005_JSV">Wiercigroch M., Wojewoda J., Krivtsov A.M. Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks. Journal of Sound and Vibration, 2005, Vol.280, Iss.3-5, pp.739-757. [[Медиа:Wiercigroch_2005_JSV_Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks.pdf|(620 kb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Krivtsov_2001_MPM">Krivtsov A. M., Wiercigroch M. Molecular dynamics simulation of mechanical properties for polycrystal materials. Materials Physics and Mechanics, 2001, 3, 45-51 [http://www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_1301/krivtsov/krivtsov.pdf (288 kb)]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Krivtsov_2004_ICTAM">Krivtsov A., Pavlovskaia E., Wiercigroch M. Impact fracture of rock materials due to percussive drilling action. 21st international congress of theoretical and applied mechanics. 2004, august 15-21, Warsaw, Poland. Abstracts and CD-ROM Proceedings, 275. [[Медиа:Krivtsov_2004_ICTAM.pdf|(417 kb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Pavlovskaia_2003_JSV">Pavlovskaia, E.E. & Wiercigroch, M. (2003). 'Periodic solutions finder for vibro-impact oscillator with a drift'. Journal of Sound and Vibration, 267, pp. 893-911. [[Медиа:Pavlovskaia_2003_JSV_a.pdf|(1166 kb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Pavlovskaia_2004_CSF">Pavlovskaia, E.E. & Wiercigroch, M. (2004). 'Analytical drift reconstruction in visco-elastic impact oscillators operating in periodic and chaotic regimes'. Chaos, Solitons & Fractals, 19 (1), pp. 151-161. [[Медиа:Pavlovskaia_2004_CSF.pdf|(587 kb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Berinskiy_2010_APM">Asonov I., Berinskiy I., Ing J., Krivtsov A., Le-Zakharov S., Pavlovskaia E.,
| |
− | Wiercigroch M.. 'Brittle fracture of rocks under oblique impact loading'. Proceedings of XXXVIII International Summer School–Conference APM. 1-5 july 2010, pp.50-56. [[Медиа:Berinskiy_2010_APM_Brittle_fracture_of_rocks_under_oblique_impact_loading.pdf|(298 kb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Ing_2010_APM">Ing J., Pavlovskaia E., Wiercigroch M., Asonov I., Berinskiy I. 'Particle Dynamics to Model Brittle Rocks'. Proceedings of XXXVIII International Summer School–Conference APM. 1-5 july 2010, pp.265-272. [[Медиа:Ing_APM2010_Particle_Dynamics_to_Model_Brittle_Rocks.pdf|(12.72 Mb)]]</ref>
| |
− | | |
− | <ref name="Aberdeen2011report"> Мини-отчет о работе проделанной в Абердине в июне 2011 [[Media:VibrationDrilling_Report_22.07.2011.doc|(2.27 Mb)]] </ref>
| |
− | | |
− | <ref name="APM2011poster">Asonov I., Berinskiy I., Ing J., Krivtsov A., Le-Zakharov S., Pavlovskaia E.. 'Particle Dynamics Modeling of Percussive Drilling'. Posters of XXXIX International Summer School–Conference APM. 1-5 july 2011 [[Медиа:VibrationDrillingAPM2011poster.jpg|(18.32 Mb)]]</ref>
| |
− | | |
− | </references>
| |
− | | |
| | | |
− | [[Category: Научные проекты]] | + | В 2009 году по инициативе [[Ольги Лобода]] и [[Екатерины Павловской]] сотрудничество двух университетов было восстановлено в рамках проекта 09-01-92603-КО_а "Моделирование хрупкого разрушения под действием динамических нагрузок", поддержанного РФФИ и Лондонским Королевским Обществом. В результате работы в 2009-2010 гг. было проведено сравнение аналитической и численной моделей. При этом численная модель была усовершенствована по сравнению с 2001 г.: введен более корректный учет статического и динамического продольного воздействия на инструмент (tool); добавлен крутящий момент (на двумерной модели он описывается поперечной силой, приложенной к инструменту); добавлен учет износа и разрушения инструмента. В результате сравнения было показано, что характер зависимостей скоростей бурения от приложенной нагрузки для численной и аналитической моделей сходен, однако есть и различия. Причины расхождений связаны с во-первых с тем, что численная модель является двумерной, в отличие от одномерной аналитической, то есть зависит от большего числа параметров, а во вторых лучше моделирует сопротивление образца, так как материал в численной модели обладает порогом разрушения, тогда как аналитическая модель образца реагирует на сколь угодно малую нагрузку. В 2011 году работа была направлена на развитие предыдущих численных моделей. Разработаны модели монокристаллического материала, монокристаллического материала с дефектами и поликристаллического материала, предложено два подхода к моделированию хрупких материалов, различающихся используемыми потенциалами взаимодействия между частицами. Разработана компьютерная модель зубца бура, по форме соответствующая геометрии реального бура. Введено ограничение на крутящий момент, прикладываемый к буру, за счет чего ограничивается мощность бурения. Проведены многопроцессорные расчеты с использованием ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН. |
− | [[Category: Механика дискретных сред]] | + | |
| + | ==Участники проекта== |
| + | Ekaterina Pavlovskaia, University of Aberdeen, Senior Lecturer, |
| + | Professor Marian Wiercigroch; Six Century Chair in Applied Dynamics; Aberdeen |
| + | University; |
| + | Dr James Ing, Research Fellow, Aberdeen University; |
| + | Mr Olusegun Ajibose, PhD student, Aberdeen University; |