Редактирование: Абердинский проект

[[ТМ|Кафедра ТМ]] > [[Прикладные исследования]] > '''Вибрационное сверление''' <HR>

{{DISPLAYTITLE:<span style="display:none">{{FULLPAGENAME}}</span>}}{{#SecurityShowAllTabsGroup:staff}}
<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 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). 

==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
<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 Лобода]] 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. [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]]
| Координатор
|-
| [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]]
| К.ф.-м.н., асс. 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/details.php?id=e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia]
| К.ф.-м.н., Senior Lecturer, Aberdeen University
| Руководитель проекта
|-
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=m.wiercigroch Marian Wiercigroch]
| Professor, Six Century Chair in Applied Dynamics, <BR> Aberdeen University
| Научный консультант
|-
| [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=j.ing James Ing]
| Ph.D.,  Postdoctoral Research Fellow, 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
|}

===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. [[Участник:Антон Кривцов|Антон Кривцов]]

===План действий===
* Игорь Асонов. Выложить статью [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=e.pavlovskaia 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 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.|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 Леннарда-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)

== Рабочие встречи ==
* [[Абердинский_проект._Рабочая_встреча._2011.09.28| 28.09.2011]]
* [[Абердинский_проект._Рабочая_встреча._2011.11.08| 08.11.2011]]
* [[Абердинский_проект._Рабочая_встреча._2011.12.12| 12.12.2011]]

== 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]]
[[Category: Механика дискретных сред]]