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 удаления материала от соотношения амплитуды динамической нагрузки и величины статической нагрузки;
  • проведено сравнение с аналитической моделью.

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

  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 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.

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.

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;

Участники проекта

На 2011 год состав участников проекта указан в таблицах ниже.

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. Студент кафедры 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


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. (Proof, 651 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)