Абердинский проект — различия между версиями

Версия 00:31, 9 июня 2011

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 кафедры совместно с сотрудниками Абердинcкого Университета (Великобритания).

История

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

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 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, 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. Ссылка на abstracts

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 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.

Перспективы дальнейшей работы

Сергей Ле-Захаров предлагает

• провести моделирование процесса сверления в пакете EDEM;
• 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
• 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 предлагает

• реализовать возможность импорта геометрии из CAD;
• реализовать возможность 3D моделирования;

Нужно подумать, что уже сделано и еще можно сделать полезного для практиков. А также об установлении соотвтетвия между разными моделями, о получении конкретных значений парметров аналитической модели на основе компьютерной, а параметров компьютерной на основе эксперимента. Антон Кривцов

Участники проекта

На 2011 год состав участников проекта указан в таблицах ниже.

Со стороны СПбГПУ, Россия

Со стороны Абердинского университета, Великобритания

Литература

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. (Proof, 651 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)