Абердинский проект — различия между версиями

Версия 02:17, 28 ноября 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 (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

Со стороны Абердинского университета, Великобритания

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 в мини-отчете^[10], на докладе и на постере в рамках конференции APM в июле 2011 года ^[11]

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

• 28.09.2011
• 08.11.2011

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. ↑ Мини-отчет о работе проделанной в Абердине в июне 2011 (2.27 Mb)
11. ↑ 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)