Задания. Построить проект разработки нефтегазового месторождения или конструктивного узла машины в соответствии с темой и вариантом выполняемого курсового проекта

Цель работы: приобретение навыков моделирования пакетов типа ADAMS для моделирования механических устройств при решении задач теоретической механики и теории машин и механизмов на основе используемых программных алгоритмов и в частности с помощью теории цепей. Для выполнения работы необходимо изучить следующие вопросы:

- принципы построения макромоделей механических объектов;

- изучение имеющихся алгоритмов решения и их совершенствование

- применения простых приёмов численного моделирования

- принципы построения ЭС механических объектов;

- способы объединения ЭС однородных подсистем посредством связей

При моделировании рекомендуется:

- составить кинематическую схему объекта

- выбрать моделирующий алгоритм

- произвести его разработку и расчет параметров объекта

- составить ЭС однородных подсистем, из которых состоит объект моделирования;

- установить связи между этими ЭС;

- установить интеграторы (если необходимо).

Содержание работы

Часть 1

2.1 Принципы работы станка – качалки

В традиционной системе насоса корамысло совершает качания вокруг шарнирая часть совершая движения по дуге, вынуждая поршень насоса через кулису совершать возвратно – поступательное движение. Корамысло в левой части имеет противовес. Для улучшения режима работы насоса, обеспечения более равноменых усилий на поршне в течении всего его хода. Корамысло имеет рычаги и составляет вместе с ними лемнискатный механизм. Это позволяет в рамках запланированого хода поршня Н совершать возвратно-поступательные движения при минимальном отклонении траектории от вертикальной. Оценка точности выполнения этого требования выполняется по соотношению максимального горизонтального смещения конца рычага Е на величину Δ н (Δ н../H). Необходимо определить соответствующие параметры рычажного механизма.

2.2 Вращательные и поступательные движения механизмов кривошипов и поршня

Рычаги механизма, совершают врашательное, корамысло сложное, а поршень возвратно-поступательное движение. Корамысло, имеющее противовес может иметь не малую инерцию и расчеты должны производиться на основе диференциальных уравнений (особенности в последнем разделе лабораторной работы 2)

Для обеспечения поставленной задачи необходим соответствующий подбор геометрических параметров механизма, который будет рассмотрен во второй части работы.

2.3 Связывание структуры в базах данных, расчет надёжности в базе данных, графические возможности и база в AutoCad

Представленная база, (рис.) составляется по правилам, приведённым в лабораторной работе 1, позволяя логично увязать детали и узлы конструкции качалки во взаимосвязи её элементов. Для автоматизированных систем надёжность машины является главным условием её осуществления. База позволяет производить расчеты на проектном уровне, собирать данные от экспертов и накапливать эксплуатационные показатели. Показатели надежности деталей сохраняются в таблицах нижних уровней базы и последовательно собираются и рассчитываются в вышележащие уровни с помощью запросов на обновление (рис.).Для введения расчетных формул с использованием деталей и узлов на разных иерархических уровнях применяется построитель выражений. При этом удается выполнить многомерный анализ конструктивных особенностей машины

Часть 2

2.4 Механическая подсистема станка-качалки и алгоритмы численного моделирования его движения

Важным элементом оптимизации кинематических схем является их их моделирование на ПЭВМ. В настоящее время известным пакетом, выпол­няющим такие функции, является пакет ADAMS, Но, заметим, что пакеты, частично выполняющие функции, ныне отданные ADAMS, вы­полнялись, в том числе и на ЭВМ и в других, в частности и в СССР, напри­мер при расчете траекторий лемнискат механизированных крепей (ПНИУИ – Пермский научно-исследовательский угольный институт).

К кинематическим расчётам обычно относят расчет рычажных много­звенных механизмов. К вопросам расчета обычно относят определение гео­метрических параметров механизмов и действующих в них сил, причем все эти параметры определяются по траектории движения системы (можно гово­рить, что определяется аттрактор многозвеньевой системы). Заметим, что студенту эти методы знакомы из курса теории механизмов и машин и в ос­новном на основе графическо-аналитических методов, когда в многозвенном механизме, определяются независимые группы элементов статическая опре­делимость которых возможна. Искомые параметры определяются построе­нием плана положений механизма на чертеже, и затем построения по нему плана действующих сил, скоростей и ускорений. Это обусловлено тем, что уже при четырех звеньях аналитическое определение геометрической схемы затруднительно из-за необходимости решения тригонометрических уравне­ний высокой степени, связывающих параметры механизмов. В пакетах типа ADAMS решаются задачи более многочисленных функций и решения в па­кете обычно более универсальны. Т.е. используя программные элементы численного моделирования можно рассмотреть решения многозвенных ме­ханизмов из 3, 4, 5 и большего количества звеньев. Кроме того, они пред­ставляют и визуализацию решений, и кинематические схемы можно увидеть в графическом представлении. К услугам проектантов и 3D возможности (можно увидеть трехмерное представление картинки). И конечно важным элементом пакетов является возможность обмена данных с другими паке­тами, например, Ansys т.е. получив схему действующих сил в звеньях меха­низма можно передать эти данные в Ansys получить там решение и вернуть его для графического построения. Тогда полученное (и откорректированное) решение будет представлено в виде готового чертежа. Рис. 2. Конечно, имеются возможности и отправки решений в более специализированные па­кеты типа AUTOCAD. Изучение правил обращения таких пакетов не вызы­вает затруднение и как правило становиться предметом специализированных курсов, вне учебного процесса кредитных технологий. Понимание же про­цессов в пакете связанно с глубоким изучение дисциплин теории механиз­мов и машин, теории упругости, теоретической механики и именно такой ра­курс изучения предполагается в вузовском обучении. Вузовские курсы дис­циплин, прежде всего, направлены на такой уровень изучения дисциплин, ко­гда на их базе студент и выпускник способен производить с их помощью на­учно исследовательскую работу и профессионально применять пакеты в ин­новационной деятельности предприятия. Это предполагает также и возмож­ности совершенствования пакетов.

Существуют также курсы специальностей, предполагающие моделиро­вание работы таких пакетов (например, курс моделирование информацион­ных систем). В таком случае сложная программа рассматривается как специ­фическая техническая система, которая для лучшего функционирования нуждается в моделировании. Также как могут испытываться отдельные схемы машин или отдельные её узлы, могут испытываться отдельные блоки программы. Причем имеет значение не только испытание программы на её собственном языке, но и на других более простых и доступных (популярных) языках, обеспечивающих проверку алгоритма как в смысле работоспособно­сти так и надёжности и эффективности.

Современное направление развития машин стало таковым, что доля ис­пользования в них программ, автоматизирующих схем и алгоритмов, систем диагностирования становиться преобладающим в общем функциональном цикле машины, становиться не сколько частной функцией её некоторых эле­ментов, но и основным элементом эксплуатации. Особенно этот фактор бу­дет увеличиваться с развитием машин использующих в своём функциониро­вании нанотехнологии. Но уже сегодня на нефтедобывающих предприятиях Казахстана в самых трудных условиях для автоматизации горных работ появляются ро­бототехнические системы, управляемые компьютерами и частности устройтва для проведения наклонных скважин. Внесение же в их работы компьютерного управления позволяет поставить вопрос о широком исполь­зовании программ внедряемых в ПК в большей степени соответствующих конкретным условиям работы. И именно такая форма работ с перепрограм­мированием систем и использование разных языков программирования счи­тается приемлемым для робототехнических комплексов. При этом роль мо­делирования таких программных систем резко усиливается, и становиться определяющим для надежной и эффективной работы. Наш пример показателен тем, что внося в обучение студента технологических машин программные элементы (вполне доступные для понимания после курса информатики) мы показали, что понятия создания таких программ вполне доступно коллективам созданным на базе специалистов специальности.

Роль перепрограммирования машин становиться актуальнее и чем сложнее машина, тем больше, можно разработать для неё новых вариантов схем работы. Например, при проведении скважины можно составить 3- 4 варианта достижения нужной точки в недрах и соответственно столько же моделей поведения бурового устройства и столько же моделей управления крепью. Перепрограм­мирование же в частном случае выполняется тогда, когда все программы не могут разместиться в памяти компьютера, или при решении принципиально новой задачи возникшей в забое, например, в аварийной ситуации.

……В свою очередь программный выбор схемы работы может опре­деляться по показание датчиков когда на их ос­нове принимается целостная (устойчивая) модель недр. Раннее мы уже представляли моделирование программного продукта базы данных на основе электронных таблиц Excel и показали, полезность и эффективность моделирования в понимании процессов происходящих в базе, а также прояснении возможностей в совершенствовании технологии работы сбазами данных и в частности для работы в робототехнических системах.

Ниже представлено моделирование процессов расчета кинематических схем на примере четыёхзвенника для системы станка- качалки использующейся в нефте-газовой промышлоенности.

Для упрощения элементы программы расчета координат шарниров звеньев выполнены с применение функций табличного процессора. Рис.6

2.5 Языки программирования, модели АDAMS

Объектно-ориентированные языки программирования принципиально не отличаются друг от друга (VBA, Delphi, C++) и реализуют близкие алгоритмы.

В рамках рассматриваемой задачи в различных приложениях решения мало чем отличаются. Ниже приведён алгоритм численного решения определения геометрических параметров рычажных механизмов реализованного на VBA. Заметим, что в самих приложених приобретнных на западе код решений просмотреть не удаётся, что существенно сдерживает применение пакетов.

Координаты Y шарнира А (рычаг r1) и В (рычаг r2):

Y1 = r1*sin (a1)

Y2 = r2*sin (a2)

Формулы ведены в ячейки листа (рис.)

Координаты X шарнира А (рычаг r1) и В (рычаг r2):

X1 = r1*cos (a1)

X2 = r2*cos (a2)

Формулы введены в ячейки электронной таблицы, рис. 4, здесь же вве­дены исходные данные размеры рычагов и величины L, а также величины углов наклона рычага а1, или просто а. Угол а2 в общем не равен углу а1, но определяется им и размерами четырёхзвенника. Очевидно, что связь этих параметров можно построить из уравнения выражающего величину квадрата L

L^{2 =} (Y2-Y1)^{2 +} (X2-X1) ²

Это выражение насчитывается для 90 значений углов поворота рычага r1 в соответствии с введёнными таблицами. Точность расчета положений механизма можно резко увеличить если шаг расчета для углов уменьшить, например, до 0, 1 градусов. Т.е. для 900 значений угла. Расчёт L² производится в программе VBA (меню «сервис – макрос»), см. текст макроса

Sub ÷ четыр()

' макрос четырех

' записан 01.02.2009 ()

j = 10

k = 10

i = 10

For j = 10 To 85

For k = 10 To 85

lkv = (Cells(k, 7).Value - Cells(j, 5).Value) ^ 2 + (Cells(k, 8).Value - Cells(j, 6).Value) ^ 2

If (lkv > = 0.72) Then GoTo 10

GoTo 5

10 If (lkv < = 0.74) Then GoTo 15

5 Next k

Next j

GoTo 20

15 Cells(i, 11).Value = lkv

Cells(i, 12).Value = k

Cells(i, 13).Value = j

i = i + 1

GoTo 5

20 End Sub

В нём после расчёта величины L² производиться её анализ и значения удов­летворяющие условию 0.73 > = L² > = 0.72 (это принятая длина L²) отправляются в соответсвующий столбец К. Значение соответствующих углов наклона рычага r1 а1 рычага r2 а2 соответственно в столбцы L и K рис. 4 и рис. 5. Понятно, что задавая меньшие значения L² , например, 0.73 и 0. 725 можно как угодно поднять точность вычислений (конечно и уменьшая шаг углов). Чем выше заданная точность, тем меньшее количесво значений удовлетворяющих условию будет найдено программой. Запуск макроса осуществляется кнопкой на рис.4. Заметим, что расчет L² с учётом того, что связь между углами ведётся для всех возможных комбинаций сочетаний а1 и а2, иначе говоря циклы операторов for организованны так? Что значению а1, например, 15 гр. Выбирается а2 15 гр., затем ему же 16 гр. Затем ему же 17 гр. И т.д. до 90 гр. После чего а1 придается значение 16 гр., а значения а2 вновь повторяются от 15 до 90 гр. И т.д. пока не будут насчитаны все 90*90= 8100 значений, из которых и выбирается требуемое L² заносимое в столбец К. Интерфейс программы легко приблизить к тому которые используются в вышеперечисленных ПО, например используя диалоговые функции типа IputBox (), для внесения исходных данных. В исходном ПО (Autocad) используется язык Lisp, а ANSYS Fortran и C, но большой разницы в использовании языков нет, тем более что в этом фрагменте используется небольшое количество операторов языка (4) и в нём использован наиболее популярный алгоритм цикла и выбора данных применяемый во многих случаях программирования, знание которого обеспечивает решение достаточно сложных задач, поэтому цели моделирования могут быть успешно достигнуты.

Далее имея достаточное количество табулированных положений механизма, где все его параметры соответственны, можно получить аттрактор его любой точки. Для этого достаточно использовать уравнение прямой проходящей через две точки, которое для рассмотренных условий выглядит так:

(1)

Подставив в (1) значение точки Е получим траекторию движения верхняка крепи, если таковой рассматривать данный четырехзвенник. Программа позволит оптимизировать лемнискату Е таким образом, что бы в рамках рабочего хода механизма лемниската была максимально близка в вертикальной. Имея текст программы и понимая её алгоритм, студент легко определит и возможности оптимизации за счет изменения параметров r1, r2, L, t, Δ

На рис. 8 представленна схема для проведения силового анализа механизма и основные уравнения связывающие параметры сил и геометрии механизма.

Сила Рс моделирует действие гидростойки, которая привязана к конкретным точкам ограждения и основания. Табулирование траектории точки крепления стойки к ограждению также производиться на основе (1). Напомним, что после завершения выбора геометрических параметров крепи и получения столбцов данных К, L, M они используются для силового анализа (определения сил Р1, Р2, Р для положений механизма).

2.6Решение задач с применением методов теоретической механики

и теории машин и механизмов

Большинство реальных объектов обычно представляют собой совокупность n-го количества подсистем различной физической природы, взаимовлияющих друг на друга. Для моделирования этого влияния применяются, так называемые, связи: трансформаторная, гираторная и через зависимые параметры элементов. Таким образом, связь - это элемент (источник потока, напряжения, емкость, индуктивность, проводимость), параметр, которого (поток, разность потенциалов, величина емкости, величина индуктивности, величина проводимости) зависит от какого-либо параметра в другой подсистеме. Комбинируя пять выше названых элементов можно получить множественное количество связей, которые можно разделять на:

-трансформаторные связи;

-гираторные связи;

-связь через зависимые параметры элементы.

Трансформаторная связь – два взаимозависимых источника различного типа (источники различных потенциалов и потока), рис 9. О применении этого типа связей достаточно подробно описано в /1/.

В библиотеке комплекса GRAPH-PA имеется модель, которую можно применять трансформаторную связь (модель TRA, подмодель TRA). Эта модель (см. рисунок 4.1) имеет два узла и два параметра, которые трактуется следующим образом: VZ-коэффициент между U1 и U2:

VZ=U1/U2, б/р., (2..1)

FZ-коэффициент между I1иI2:

FZ=I1/I2, б/р. (2.2)

Таким образом, поток через источник I является функцией потока через элемент U: I1/FZ; (см. определение связи), а разность потенциалов на источник U-функция

разности потенциалов на элементе I: U2=U1/VZ. Пример применение этого типа связей рассмотрен в /1/, а также в задаче, приведенной ниже.

Гираторная связь – два взаимозависимых источника одного типа (или разностей потенциалов, или потока) /1/. В библиотеке комплекса GRAPH-PA имеется модель, которую можно применять как гираторную связь (модель GIR, подмодель GIR). Эта модель (рисунок 10) имеет 4 узла и 2 параметра, которые трактуются следующим образом:

GZ-коэффициент пропорциональности между I1 и U2:

I1=GZ*U2, A/B (2.3)

FZ- коэффициент пропорциональности между I2 и U1

I2=FZ*U1, A/B (2.4)

Применительно к механическим системам эти коэффициенты имеют размерность [Н× с/м] = [кг/с × м] и являются коэффициентами пропорциональности между скоростями и усилиями в подсистемах, связь между которыми отражается этой моделью.

Связь через зависимые параметры элементов это прочие комбинации элементов (не обязательно пары, может быть один и более трех), параметры которых являются функцией фазовых переменных в других подсистемах.

Интеграторы. При моделировании механических систем иногда необходимо определять перемещение для поступательных систем и углы поворота для вращательных. Перемещение S как и угол поворота φ вычисляются через интегрирование скорости по времени: линейной v и угловой ω соответственно:

S=ò v dt, м; φ =ò ω dt, рад (2.5)

Из (4.5) видно, что при v – const и ω – const, то есть при равномерном движении перемещение и угол поворота равны соответственно

S= v × t, м; φ =ω × t, рад (2.6)

Если же движение неравномерное (V≠ const, ω ≠ const), как и в большинстве реальных систем, то перемещение и угол поворота необходимо вычислять по (2.5).

Для моделирования перемещения S и угла поворота φ можно использовать ЭС из элементов I и C), представляющую собой идеальный интегратор, что следует из компонентного уравнения емкости:

I=C dU/dt (2.7)

Разделив переменные в (4.7) и проинтегрировав, получим:

U=(1/C) ò Idt, (2.8)

То есть разность потенциалов U на емкости С является интегралом от тока через нее, если принять С = 1. Формула (2.8) полностью идентична (2.5), а это однозначно говорит о том, что разность потенциалов U на схеме) является прямым аналогом перемещения S и угла φ, если принять С=1, а источнику потока I придать значение величины разности потенциалов того угла (линейной v или

угловой ω скоростей, что есть одно и то же). Для этих целей служит модель INTEG, подмодель INTEG (рис. 10).

У этой модели всего один параметр: К – коэффициент передачи по току, которую является коэффициентом пропорциональности между напряжением U и потоком I через источник

I = K × U, (б/р) (2.9)

Для получения интегратора необходимо к этой модели подключить модель М, подмодель М к узлам 3 и 4.Придать значение М=1 (K× U = 1, (см.(2.9)), С=1), узел 2 соединить с узлом, потенциал которого (скорость) интегрируется, узел 1 с подсистемой, относительно которой определяется перемещение.

Задания

Задача 2.1. На шероховатой поверхности лежит груз массой m. Параметры трения f_ст, f_д. К грузу приложена сила F. Определить скорость и перемещение груза через время t после начала отсчета.

Задача 2.2. На рисунке 14 изображена рычажная система. Грузы m₁, m₂, m₃ движутся по шероховатой поверхности. Параметры трения f_ст и f_д для всех грузов одинаковы. Жесткости С всех пружин одинаковы и равны. Массой пружин и массой рычага (моментом инерции) пренебречь. Определить скорости всех грузов и усилие в последней пружине.

Рис. 14 - Рычажная система для задачи 4.2

1) Примечание: рычаг моделируется двумя зависимыми источниками F_p и Е_р (трансформаторной связью). Он представляет собой трансформа

Варианты решения задач для моделирования работы рычажных механизмов

По заданным в таблице значениям определить пропущенные.

Для чего изменить откорректировать алгоритм программы

И выполнить численное моделирование

3 Лабораторная работа № 3 Изучение основных команд программы ANSYS, моделирования объектов на микро уровне

Цель работы: приобретение понятий и навыков и взаимосвязи построения сложных фигур, закреплений и принципов симметрии при расчете НДС

Изучить методы построения сложных фигур

Изучение принципов симметрии при решении задач

Изучение особенностей перехода от реальной задачи к модели

Содержание работы

Часть 1

3.1 Сущность МКЭ (блоки для задач о НДС деталей и узлов машин)

Если рассматривать станок – качалку как механическую рычажную систему то её расчет сводиться к макро и микро уровню, при всей условности терминологии. Логика макроуровне предполагает раскрытие особенностей взаимодействия машины с её рабочее средой. Качалка взаимодействует с нефтепластом посредством давления (разряжения) создаваемого в скважине, вызывая действие сил на скважину и в частности её стенки. Макроуровень предполагает изучение усилий возникающих от взаимодействия. В частности они будут в рычагах, вызывая их деформацию. Причем задачу можно решить в статическом определении, когда силами инерции пренебрегаем. В противном случае имеем динамическое решение, для чего необходимы дифференциальные уравнения. Зная нагрузки, следует определить, выдержат ли их наши детали и узлы. И здесь имеем исследования на микроуровне, которое рассматривает напряженно-деформированное состояние детали. Его можно характеризовать деформацией по осям координат и нормальными напряжениями по осям, а также касательным напряжениями. Эти решения можно получить на основе пакета Ansys. В пакете используется метод конечных элементов, основанный на разбиение детали сеткой элементов и рассмотрение равновесия одного элемента и затем всех остальных. Нагрузки на элемент в общем неизвестны и определяются из систем уравнений.

3.2. Аnsys и МКЭ, основные меню и программный файл (команды Ansys)

См. электронную книгу [6], назначение меню и командного файла

Привести командный файл для построения схемы задачи

3.3 Приёмы геометризации расчетной схемы или модели и их значение для выделения участков с нагрузкой и наложения связей, общие решения через ввод символов и их значений

Ниже приведена схема нагружения рычага и разбиение задачи на минимально необходимую для решения часть (четверть рычага)

Для вышеприведенной конструкции на основе задачи [2] 4.2.1 рассмотреть

1.НДС

2.Описать особенности деформации рычага

3 Влияние растягивающей и сжимающей нагрузки в шарнире

4 Возможности и приёмы универсализации решения

5 Возможности составления новых схем

Основные результаты одного из вариантов решения

Рисунок 16 Конечно-элементная сетка, линии симметрии и нагрузка по дугам отверстия

Рисунок 17 Схема деформации рычага

Рисунок 18 Окно для выбора графического отображения напряжений

Рисунок 19 Напряжения вдоль оси Х

Рисунок 20 Напряжения вдоль оси Y

Рисунок 21 Касательные напряжения

Задания

Построить решение задачи

А) для полупластины при наличии растяжения, затем сжатия

Контур отверстия построить с помощью 4 – х дуг

Б) Для четверть пластины при наличии растяжения, затем сжатия

Контур отверстия построить с помощью 2 – х дуг

С) Максимально сблизить отверстия с целью исследования их взаимовлияния

Для любого варианта задания А или Б

Д) На базе имеющегося решения с помощью метода симметрии предложить новые объекты и где эти результаты могли бы быть использованы.

Часть 2

3.4 НДС одиночной скважины, плоские и осесимметричные задачи, моделирование гравитации, симметрия в решениях, виды конечных элементов, анализ деформаций, анализ напряжений исследование решения

Необходимо выполнить анализ напряженно-деформированного состояния

вокруг вертикальной скважины. Рассматривается сечение перпендикулярное

оси скважины (см ниже). Решение предлагается строить для пластины, в случае воздействия на нее нагрузки (растягивающей, растягивающей по одной, затем по двум сторонам четверть пластинки. Тоже для сжимающей пластинки. В качестве материала пластины принимается порода с модулем упругости

Рисунок 22 Схема вертикальной скважины

качестве расчетной модели используется ¼ пластины в силу симметрии детали для задания геометрии модели будем использовать постоянные величины, изменение которых, в блоке объявления констант делает модель универсальной обозначим через ЕЕ – модуль упругости М-коэфициент Пуассона, L – длина пластины, RR- радиус пластины, FF – прикладываемая нагрузка, КК – размер конечного элемента.

Для отображения напряженно деформированного состояния пластины, применяется симметричное закрепление, для получения НДС на внешнюю стенку пластины прикладывается распределенная нагрузка 100 Н в разных вариациях

Рисунок 24 Конечно-элементная сетка

Рисунок 24 Нормальные напряжения вдоль Х

Рисунок 25 Нормальные напряжения вдоль Y

Командный файл (его можно загрузить и исполнить в Ansys), позволяет программировать задачу:

EE=2E5

M=0, 3

L=15

RR=5

KK=1.8

FF=-100

/TITLE, PLATE

/PREP 7

ANTYPE, STATIC

ET, 1, 82

MP, EX,, EE

MP, NUXY,, M

rectng, 0, L, 0, L

pcirc, RR

asba, 1, 2

KESIZE, all, KK

KESIZE, 5, KK/2

KESIZE, 6, K/2

AMESH, 1

/SOLU

DL, 9, 3, SYMM

DL, 10, 3, SYMM

SFL, 2, PRES, FF

FINISH

Рисунок 26 Картина деформаций при нагрузке справа

Рисунок 27 Напряжения вдоль оси Х

Рисунок 28 Одновременная нагрузка на две грани.

SOLVE

/POST1

PLNSOL, S, Y

Расчет пластины на сжатие. FF=100.

Нагрузка на сжатие по оси X

Рисунок 28 Картина напряжений

3.6 Значение решения как системы автоматизированного проектирования

Проанилизировать каким образом выполненая работа улучшает понятия САПР, что можно на ваш взгляд усилить в работе так, что бы тема лучше вписывалась в понятия САПР, его значение для рассматриваемой задачи проведения скважин

Задания

Всё ли вам нравиться в логике задачи, опишите недостатки или некорректности задачи, как бы вы уточнили задачу, попробуйте выполнить нижеприведенные задания в вашей постановке или решите так, как есть, правильно ли сформированна нагрузка горного давления?

Вернитесь к решению после решения задачи с учетом сил тяжести (гравитации), что бы теперь вам захотелось бы изменить в постановке задачи?

Решите задачу для растяжения пластины по одной грани

Решите задачу для растяжения пластины по двум граням

Решите задачу для сжатия пластины по одной грани

Решите задачу для сжатия пластины по двум граням

4..Лабораторная работа № 4 Расчет особенностей применения одной

наклонной скважины.

Цель работы: приобретение понятий и навыков и взаимосвязи расчета НДС для одиночной горизонтальной скважины

4.1 Особенности технологии проведения наклонных скважин

Ниже приведена схема формирования давления вокруг скважины

Рисунок 29 Картина напряжений

производиться наклоном бурового става в скважине за счет зазора между стенками скважины и ставом [2, 3, 7].Угол поворота наклона скважины потому пропорционален зазору между трубами става и обратно пропорционален длине скважины. Поэтому траектория поворота расчитывается заранее и после нескольких ходок производиться уточнение положение бурового става в пространстве. Для контроля положення используются датчики наклона - инклинометры, которые в последнее время выполняются гравитационного типа с процессорным определением углов (см. рисунок для лабораторной работы с двумя горизонтальними скважинами, хотя мы, в данной работе, рассмотрим пока одну). Эта схема позволяет выделить нагрузки действующие на масив окружающий скважину, причем не обходимо учесть гравитацию (вес) пород. Принципиальная разница заключается в том, что в отличии от распределенной нагрузки прилагаемой к контуру объекта, каждый элемент веса приложен к нему самому, а это может при большой площади пород существенно исказить картину НДС, что следует также и определить исследованиями.в отличии от рассмотрения четверть пластинки

ины

Рисунок 30 Схема закрепления и деформация для одной горизонтальной скважины

Рисунок 31 Схемы напряжений вдоль оси Х

Рисунок 32 Схемы напряжений вдоль оси Y

Рисунок 33 Касательные напряжения

Задания

Определить схему деформации, напряжений σ _х, σ _у, τ _ху массива

для одиночной скважины, исследовать влияние К на характер НДС

Определить схему деформации, напряжений σ _х, σ _у, τ _ху массива

для одиночной скважины, исследовать влияние проскальзывания нефтеносного пласта относительно нижезалегающих пород на характер НДС

Лабораторная работа № 5 Расчёт углов наклона и моделирование сложных механических устройств проведения скважин, НДС вокруг двух скважин

Цель работы: приобретение понятий и навыков и взаимосвязи при проведении двух горизонтальных скважин и их взаимодействия

Изучить взаимодействие двух горизонтальных скважин

Изучить приемы моделирования сложных механизмов на примере проведения наклонных скважин в соответствии с приведенной схемой

Содержание работы

5.1

5.2 Инициация скважин проведением объединяющейся трещины между двумя параллельными скважинами. НДС между двумя скважинами

Напряженно-деформированное состояние массива для двух параллельных буровых скважин

Для определения НДС в межскважинном пространстве рассматривается схема приведённая ниже (вид по стрелке А предыдущей схемы).

Далее приводим основные этапы решения:

Ввод исходных данных

Вид конечно-элементной сетки

Схема симметрии, закрепления сторон выделенной, ограниченной области и действующих нагрузок

Схема деформации выделенной области

Нормальные напряжения вдоль оси Х, У, касательные ХУ

Рисунок 36 Этапы решения: ввод параметров, конечно-элементная сетка, закрепление и симметрия.

Рисунок 37 Схема деформации массива у скважин и напряжения вдоль оси Х

5.3 Моделирование сложных механических устройств

Локальные искривления ствола способствуют образованию в стенке скважины желобных выработок, которые увеличивают риски в процессе бурения и при спуске обсадных колонн большого диаметра.

Основными технологическими факторами, способствующими формированию локальных искривлений ствола при бурении различными компоновками низа бурильной колонны (КНБК), являются условия взаимодействия долота с забоем скважины.

Известно [7] уравнение перерезывающих сил, действующих на направляющую часть КНБК в безразмерном виде:

- x× + p× - x + f = 0 (5.1)

где f - отклоняющая сила;

p - осевая реакция забоя скважины;

Из уравнения (1) при х=0 (на долоте) следует:

f = - y' p - y''' (5.2)

Анализ уравнения (2) показывает, что для выполнения условий равенства нулю отклоняющей силы (f = 0) и угла перекоса долота (y' = 0) необходимо, чтобы перерезывающая сила на долоте также была равна нулю (y''' = 0).

При равенстве нулю не только отклоняющей силы, но и угла перекоса долота, горная порода будет разрушаться только в направлении оси ствола скважины или касательной к оси искривленного интервала скважины, что будет способствовать формированию ствола правильной формы.

Критерий оптимизации параметров КНБК, основанный на равенстве нулю отклоняющей силы на долоте и угла его перекоса, используется в методах расчета и проектирования КНБК для проводки наклонных и искривленных интервалов профиля направленных скважин [7]. Метод основан на расчётной схеме, в которой активная часть КНБК от долота до точки касания стенки скважины корпусом забойного двигатели или УБТ имеет одинаковый диаметр, жёсткость и вес единицы длины. Поэтому областью применения известного метода является роторный и турбинный способы бурения.

Для бурения горизонтальных и субгоризонтальных скважин применяются КНБК, включающие гидравлический винтовой забойный двигатель (ГВЗД), длина которого значительно меньше длины активной части КНБК. Такие КНБК могут включать также телесистему, различные технологические элементы, жесткость на изгиб которых может существенно отличаться от жесткости самого ГВЗД. Таким образом, актуальной задачей является разработка метода расчёта оптимальных размеров разножесткостных стабилизирующих и искривляющих КНБК.

Расчётная схема разножесткостной КНБК с тремя центраторами представлена ниже

Расчетная схема разножесткостной КНБК с тремя центраторами.

В расчетной приняты следующие допущения:

- форма изгиба оси КНБК плоская;

- ось ствола скважины прямолинейная или дуга окружности;

- КНБК нагружена продольными и поперечными распределенными и сосредоточенными силами;

- долото является шарнирной опорой, а центраторы – точечными опорами;

- каждая секция КНБК имеет различную жесткость на изгиб, диаметр и вес единицы длины.

В соответствии с расчётной схемой уравнения перерезывающих сил в безразмерном виде для каждого участка КНБК могут быть записаны в следующем виде

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

где

; ; ; ; ; ;

; ; ;

– жёсткость на изгиб секций КНБК, кН·м²;

q; q₁; q₂; q₃ – вес одного метра секций КНБК, кН/м.

l, l₁, l₂, l_C - длина секций КНБК в безразмерной форме;

h₁, h₂, h₃ - безразмерные аналоги опорных реакций на центраторах.

Граничные и сопряжено-граничные условия, учитывающие принятый критерий оптимизации, в соответствии с которым отклоняющая сила и угол перекоса долота равны нулю, а также допущения расчётной схемы могут быть записаны следующим образом:

1. при :

2. при :

3.1. при :

3.2. при :

3.3. при :

где (в безразмерном виде):

r – радиальный зазор;

k – радиус кривизны ствола скважины;

lC – расстояние от верхнего центратора до точки касания бурильной колонной стенки ствола скважины;

S – идентификатор кривизны ствола скважины (S=-1 – увеличение зенитного угла; S=1 – уменьшение зенитного угла; S=0 – стабилизация зенитного угла).

Метод решения дифференциальных уравнений известен и изложен в работе [7].