Абердинский проект

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
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 (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

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 год

Участники проекта

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. кафедры Координатор
Беринский И.Е. К.ф.-м.н., асс. 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., Senior Lecturer, Aberdeen University Руководитель проекта
Marian Wiercigroch Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics,
Aberdeen University 		Научный консультант
James Ing Ph.D., Postdoctoral Research Fellow, Aberdeen University Исследователь
Olusegun Ajibose Ph.D., Research Fellow, Aberdeen University Исследователь

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 соответствия между разными моделями, о получении конкретных значений параметров аналитической модели на основе компьютерной, а параметров компьютерной на основе эксперимента. Антон Кривцов

План действий

Бразильский тест? Предел прочности на растяжение? Тест на ударную вязкость (тест Шарпи)? Твердость и микротвердость (особенно актуально для песчаника)? Спросить у Игоря Беринского (у него есть книжка). Составить таблицу, послать Игорю Асонову.

  • Игорь Асонов. Установить соответствие модельного материала реальному и наоборот (модуль Юнга, коэф. Пуассона, прочностные характеристики, ???). Поставить модельные эксперименты (откольное разрушение, Браз. тест)?

Надо сделать прикидки! Рассмотреть на примере sandstone.

  • Игорь Беринский. Проверить в статье наличие двух способов задания хрупкого материала.

Оптимальное соотношение WOB/A зависит от типа материала - важно сказать! Как его практически применить? Нужно научиться определять тип материала в процессе бурения. Возможные решения:

  • Сейсморазведка. Недостаток - низкое пространственное разрешение, определяются осредненные по пространству характеристики.
  • Анализ материала, выходящего наружу с жидкостью. Недостаток - большая задержка.
  • Решение! Сделать систему с обратной связью! Smart vibration drilling (intelligent, intellectual). Координировать процесс нагружения на основе динамического отклика в инструменте. Использовать акселерометр. Измерить "кардиограмму", поставить диагноз, назначить лечение. Можно также интегрированием ускорения получать скорость продвижения.

План действий на поездку 13.06.11 - 24.06.11

  • Internal progress
    • develop MD-input from text file
  • Real material
    • check compressed inter-particle force (it already developed - make stretch test for this material)
    • ask specific material properties from lab (size of grains, ultimate strain, compressive strength, porosity, Young and Poisson modulus, long. velocity, actual forces of impact) - for granite, for sandstone
    • calculate parameters for numerical experiments: number of particles per grain, force compression coefficient k, vibration drilling frequency, static force, dynamic force, parameters of horizontal force (angular velocity of drill-bit with and without loading)
    • program indentation numerical experiment
    • run numerical experiments (indentation test and stretch test) for granite
  • Smart vibration drilling
    • understand, what could be measured in the experiment: acceleration, static force, vibration drilling frequency, amplitude of drill bit oscillations, rotary speed (during the drilling process and without the loading)?
    • what experimental data can we use as a feedback?
    • how does optimal ratio depend on the real material (in the lab)?
    • understand relation between acceleration diagram and speed of drilling|optimal ratio

Результаты работы за 13.06.2011 - 24.06.2011

Результаты представлены на докладе и на постере в рамках конференции APM в июле 2011 года [10]

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: 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:
  1. приготовить обычный поликристалл
  2. 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)

Рабочие встречи

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. (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. ↑ 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=4720»