| Текущая версия |
Ваш текст |
| 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 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). | + | 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== | | ==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 | + | В 1999 году [[А. М. Кривцов]] был приглашен профессором [[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 [[М. Верчигрохом]] была 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>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="Wiercigroch_2005_JSV" />. | + | <ref>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> |
| − | С целью определения параметров аналитической модели и установления ее связи с экспериментом А. М. Кривцовым совместно с М. Верчигрохом была разработана компьютерная модель | + | , 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_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.
| + | <ref>M. Wiercigroch, J. Wojewoda, A.M. Krivtsov. Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks. Journal of Sound and Vibration, 2005, Vol.280, Iss.3-5, p.739-757.</ref> |
| | + | . |
| | + | С целью определения параметров аналитической модели и установления ее связи с экспериментом [[А. М. Кривцов]]ым совместно с [[М. Верчигрохом]] была разработана компьютерная модель, 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 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, 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== | + | ==Текущее состояние== |
| − | | + | 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 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); |
| − | * 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; | + | * добавлен крутящий момент (ранее он описывается поперечной силой, приложенной к инструменту); |
| − | * проведено и проанализировано порядка 800 вычислительных экспериментов; | + | * добавлен учет износа и разрушения инструмента. |
| − | * построены оценочные зависимости скорости сверления материала от соотношения амплитуды динамической нагрузки и величины статической нагрузки;
| + | 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 |
| − | * 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; | | # 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. | + | # лучше моделирует сопротивление образца, так как материал в компьютерной модели обладает порогом разрушения, тогда как аналитическая модель образца реагирует на сколь угодно малую нагрузку. |
| − | 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''.
| + | В 2011 году работа была направлена на развитие компьютерной модели: |
| − | | |
| − | ==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; | | * разработаны модели монокристаллического материала, монокристаллического материала с дефектами и поликристаллического материала; |
| | * предложено два подхода к моделированию хрупких материалов, различающихся используемыми потенциалами взаимодействия между частицами; | | * предложено два подхода к моделированию хрупких материалов, различающихся используемыми потенциалами взаимодействия между частицами; |
| | * разработана компьютерная модель зубца бура, по форме соответствующая геометрии реального бура; | | * 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; | | * 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]; | + | * проведены многопроцессорные расчеты 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;
| + | ==Участники проекта== |
| − | * установлена регулярность результатов моделирования.
| + | На 2011 год состав участников проекта указан в таблицах ниже. |
| − | | |
| − | | |
| − | == 2011-2012 годы== | |
| − | | |
| − | ===Участники проекта===
| |
| | | | |
| | Со стороны СПбГПУ, Россия | | Со стороны СПбГПУ, Россия |
| Строка 58: |
Строка 45: |
| | |- | | |- |
| | | [[Лобода О.С.]] | | | [[Лобода О.С.]] |
| − | | К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]] | + | | К.ф.-м.н., доц. [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]] |
| | | Координатор | | | Координатор |
| | |- | | |- |
| | | [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]] | | | [[Игорь Беринский| Беринский И.Е.]] |
| − | | К.ф.-м.н., доц. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]] | + | | К.ф.-м.н., асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]] |
| | | Старший исследователь | | | Старший исследователь |
| | |- | | |- |
| − | | [[Ле-Захаров Сергей| Ле-Захаров С.А.]] | + | | [[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.]] |
| − | | Асс. на [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедре]] | + | | Студент [[Кафедра "Теоретическая механика"|кафедры]] |
| | | Исследователь | | | Исследователь |
| | |} | | |} |
| Строка 81: |
Строка 68: |
| | | Роль в проекте | | | Роль в проекте |
| | |- | | |- |
| − | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia] | + | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=e.pavlovskaia Ekaterina Pavlovskaia] |
| − | | К.ф.-м.н., Professor, Aberdeen University | + | | К.ф.-м.н., Senior Lecturer, Aberdeen University |
| | | Руководитель проекта | | | Руководитель проекта |
| | |- | | |- |
| − | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/profiles/m.wiercigroch Marian Wiercigroch] | + | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=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/profiles/j.ing James Ing] | + | | [http://www.abdn.ac.uk/engineering/people/details.php?id=j.ing James Ing] |
| − | | Ph.D., Lecturer, Aberdeen University | + | | Ph.D., Postdoctoral Research Fellow, 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)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| | | | |
| | | | |
| | == Литература == | | == Литература == |
| | | | |
| − | <references> | + | <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]]
| |
