Абердинский проект
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
- 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[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
- Игорь Асонов. Выложить статью Екатерины Павловской JSV 2005, статью Инга, нашу статью с АРМа.
- Сергей Ле-Захаров. Найти в литературе прочностные характеристики основных горных пород (базальт, гранит, песчаник, известняк, ???).
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:
- 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)
Рабочие встречи
Литература
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ 3,0 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)
- ↑ Krivtsov A. M., Wiercigroch M. Molecular dynamics simulation of mechanical properties for polycrystal materials. Materials Physics and Mechanics, 2001, 3, 45-51 (288 kb)
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ 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)
- ↑ Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>; для сносокAPM2011posterне указан текст
