Абердинский проект — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(→‎Участники проекта)
 
(не показана 61 промежуточная версия 11 участников)
Строка 1: Строка 1:
 +
[[ТМ|Кафедра ТМ]] > [[Прикладные исследования]] > '''Вибрационное сверление''' <HR>
 +
 +
{{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]]
 
[[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 по 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).  
+
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 [[Мариан Верчигрох|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. Кривцов]]ым совместно с [[Мариан Верчигрох|М. Верчигрохом]] была разработана аналитическая модель
+
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
 
<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="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" />.  
 
<ref name="Wiercigroch_2005_JSV" />.  
−
С целью определения параметров аналитической модели и установления ее связи с экспериментом [[А. М. Кривцов]]ым совместно с [[Мариан Верчигрох|М. Верчигрохом]] была разработана компьютерная модель
+
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 [[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 [[Мариан Верчигрох|М. Верчигрохом]] для этой цели в Абердинский университет. В 2001 году к проекту присоединилась [[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.  
+
<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.  
 
Рассматривалась двухмерная расчетная модель, так как даже с применением суперЭВМ моделирование трехмерных объектов методом динамики частиц требует больших вычислительных затрат.  
 
-->
 
-->
 +
 
==2009-2010 годы==
 
==2009-2010 годы==
−
В 2009 году по инициативе [[Ольги Лобода]] и [[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:  
+
 
 +
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;
 
* 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;
 
* проведено и проанализировано порядка 800 вычислительных экспериментов;
−
* построены оценочные зависимости скорости удаления материала от соотношения амплитуды динамической нагрузки и величины статической нагрузки;
+
* построены оценочные зависимости скорости сверления материала от соотношения амплитуды динамической нагрузки и величины статической нагрузки;
−
* проведено сравнение с аналитической моделью.
+
* 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, однако есть и различия. Причины расхождений связаны с тем, что компьютерная модель  
+
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;  
 
# 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 аналитическая модель образца реагирует на сколь угодно малую нагрузку.  
+
# 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.
+
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==
 
==2010-2011 годы==
 +
 
В 2010-2011 году работа была направлена на развитие компьютерной модели:
 
В 2010-2011 году работа была направлена на развитие компьютерной модели:
 
* разработаны модели монокристаллического материала, монокристаллического материала с дефектами и поликристаллического материала;  
 
* разработаны модели монокристаллического материала, монокристаллического материала с дефектами и поликристаллического материала;  
Строка 33: Строка 41:
 
* проведено сравнение с усовершенствованной аналитической моделью;
 
* проведено сравнение с усовершенствованной аналитической моделью;
 
* установлена регулярность результатов моделирования.
 
* установлена регулярность результатов моделирования.
−
==Перспективы дальнейшей работы==
+
 
−
[[Сергей Ле-Захаров| Сергей Ле-Захаров]] предлагает
+
 
−
* провести моделирование процесса сверления в пакете [[EDEM | EDEM]];
+
== 2011-2012 годы==
−
* использовать неотражающие граничные условия для описания бесконечной области конечной моделью;
+
 
−
* использовать более сложные потенциалы взаимодействия частиц образца чтобы учесть, например, касательные компоненты взаимодействия между частицами
+
===Участники проекта===
−
* изучить и, возможно, применить технологию Random Particle Model (разновидность DEM)
 
−
* изучить и, возможно, применить технологию PDS FEM (Particle Discretization Scheme FEM)
 
−
* изучить и, возможно, применить еще какую-нибудь технологию
 
−
[[Игорь Асонов| Игорь Асонов]] предлагает
 
−
* реализовать возможность импорта геометрии из [[CAD|CAD]];
 
−
* реализовать возможность 3D моделирования;
 
−
*
 
−
 
−
==Участники проекта==
 
−
На 2011 год состав участников проекта указан в таблицах ниже.
 
  
 
Со стороны СПбГПУ, Россия  
 
Со стороны СПбГПУ, Россия  
Строка 60: Строка 58:
 
|-
 
|-
 
| [[Лобода О.С.]]
 
| [[Лобода О.С.]]
−
| К.ф.-м.н., доц. [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]]
+
| К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
 
| Координатор
 
| Координатор
 
|-
 
|-
 
| [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]]
 
| [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]]
−
| К.ф.-м.н., асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
+
| К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
 
| Старший исследователь
 
| Старший исследователь
 
|-
 
|-
−
| [[Ле-Захаров С.А.]]
+
| [[Ле-Захаров Сергей| Ле-Захаров С.А.]]
 
|  Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
 
|  Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
 
|  Исследователь
 
|  Исследователь
 
|-
 
|-
 
| [[Игорь Асонов| Асонов И.Е.]]
 
| [[Игорь Асонов| Асонов И.Е.]]
−
| Студент [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]]
+
| Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]]
 
| Исследователь
 
| Исследователь
 
|}
 
|}
Строка 83: Строка 81:
 
| Роль в проекте
 
| Роль в проекте
 
|-
 
|-
−
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia]
+
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia]
−
| К.ф.-м.н., Senior Lecturer, Aberdeen University
+
| К.ф.-м.н., Professor, Aberdeen University
 
| Руководитель проекта
 
| Руководитель проекта
 
|-
 
|-
−
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=m.wiercigroch Marian Wiercigroch]
+
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/m.wiercigroch Marian Wiercigroch]
 
| Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics, <BR> Aberdeen University
 
| Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics, <BR> Aberdeen University
 
| Научный консультант
 
| Научный консультант
 
|-
 
|-
−
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=j.ing James Ing]
+
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/j.ing James Ing]
−
| Ph.D.,  Postdoctoral Research Fellow, Aberdeen University
+
| Ph.D.,  Lecturer, Aberdeen University
 
| Исследователь
 
| Исследователь
 
|-
 
|-
 
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=o.k.ajibose Olusegun Ajibose]
 
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=o.k.ajibose Olusegun Ajibose]
−
| Ph.D., Research Fellow, Aberdeen University
+
| Ph.D., Research Fellow, Aberdeen University
 
| Исследователь
 
| 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)
 +
 +
 +
 +
 +
 +
  
  
Строка 109: Строка 145:
 
<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="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_2004_JSV_draft.pdf‎|(Proof, 651 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_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>
Строка 118: Строка 154:
  
 
<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="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>
 
</references>
 +
 +
 +
[[Category: Научные проекты]]
 +
[[Category: Механика дискретных сред]]

Текущая версия на 11:11, 24 августа 2016

Кафедра ТМ > Прикладные исследования > Вибрационное сверление


Абердинский проект

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 кафедры совместно с сотрудниками Абердинcкого Университета (Великобритания).

История[править]

В 1999 году А. М. Кривцов был приглашен профессором Марианом Верчигрохом в Абердинский университет по гранту Лондонского Королевского общества на постдок (postdoctoral research) длительностью 18 месяцев. За время работы в Абердине А. М. Кривцовым совместно с М. Верчигрохом была разработана аналитическая модель [1][2], 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 [3]. С целью определения параметров аналитической модели и установления ее связи с экспериментом А. М. Кривцовым совместно с М. Верчигрохом была разработана компьютерная модель [4][5], основанная на использовании 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[3] проводилось Ежи Воеводой, приглашенным М. Верчигрохом для этой цели в Абердинский университет. В 2001 году к проекту присоединилась Екатерина Павловская, в результате чего была разработана более сложная аналитическая модель[6][7], где были учтены вязко-упругие свойства горной породы.

2009-2010 годы[править]

В 2009 году по инициативе Ольги Лободы и Екатерины Павловской сотрудничество двух университетов было возобновлено 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 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

  1. является двумерной, в отличие от одномерной аналитической, то есть зависит от большего числа параметров;
  2. 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[8]. Также на конференции Advanced Problems in Mechanics 2010 была представлена работа Абердинских коллег[9]ссылка на тезисы Екатерины Павловской.

2010-2011 годы[править]

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 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[править]

Участники проекта[править]

Со стороны СПбГПУ, Россия

Фамилия, И.О. Уч. степень, должность Роль в проекте
Кривцов А.М. Д.ф.-м.н., проф., зав. кафедрой Руководитель проекта
Лобода О.С. К.ф.-м.н., доц. на кафедре Координатор
Беринский И.Е. К.ф.-м.н., доц. на кафедре Старший исследователь
Ле-Захаров С.А. Асс. на кафедре Исследователь
Асонов И.Е. Асс. на кафедре Исследователь

Со стороны Абердинского университета, Великобритания

Имя и фамилия Уч. степень, должность Роль в проекте
Ekaterina Pavlovskaia К.ф.-м.н., Professor, Aberdeen University Руководитель проекта
Marian Wiercigroch Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics,
Aberdeen University 		Научный консультант
James Ing Ph.D., Lecturer, Aberdeen University Исследователь
Olusegun Ajibose Ph.D., Research Fellow, Aberdeen University Исследователь

Результаты работы за 13.06.2011 - 24.06.2011[править]

Результаты представлены в мини-отчете[10], на докладе и на постере в рамках конференции APM в июле 2011 года [11]

Программная часть[править]

  • 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: bitbucket.org. Там в режиме реального времени отображаются обновления.

Механическая часть[править]

  • 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:
  1. приготовить обычный поликристалл
  2. постепенно увеличить коэффициент сжатия, добиваясь на каждой итерации остывания образца и уменьшая внутренние напряжения
  • Проведены тестовые расчеты

В разработке[править]

  • 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 И.Е. Асонова[править]

Модельный материал. Удалены частицы, имеющие по 6 соседей
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)
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[править]

  1. ↑ 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. (84 Kb)
  2. ↑ Krivtsov A.M., Wiercigroch M. Penetration Rate Prediction for Percussive Drilling via Dry Friction Model. Chaos, Solitons & Fractals, 2000, 11(15), 2479-2485. (215 Kb)
  3. ↑ 3,0 3,1 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. (620 kb)
  4. ↑ Krivtsov A. M., Wiercigroch M. Molecular dynamics simulation of mechanical properties for polycrystal materials. Materials Physics and Mechanics, 2001, 3, 45-51 (288 kb)
  5. ↑ 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. (417 kb)
  6. ↑ 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. (1166 kb)
  7. ↑ 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. (587 kb)
  8. ↑ 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. (298 kb)
  9. ↑ 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. (12.72 Mb)
  10. ↑ Мини-отчет о работе проделанной в Абердине в июне 2011 (2.27 Mb)
  11. ↑ 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 (18.32 Mb)
Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Абердинский_проект&oldid=43561»