Динамика гибкого вала в жесткой трубке

Бесплатный доступ

Представлены уравнения и численные методы для расчета вращения гибкого вала в жесткой трубке. Вал рассматривается как стержень Коссера в самой общей постановке с произвольной зависимостью свойств от координаты. Также рассмотрено квазистатическое движение. Получены шесть уравнений равновесия для произвольно изогнутого и искривленного вала в трубке произвольной геометрии. Показано, что для описания вращения в трубке достаточно проекции уравнения моментов на касательную к криволинейной оси стержня. Это дифференциальное уравнение выражено в терминах угла поворота сечения. Решение для квазистатического вращения получено как аналитически, так и с помощью метода стрельбы для краевой задачи обыкновенного дифференциального уравнения. В работе получены зависимости углов поворота вала внутри жесткой трубки от осевой координаты. При некотором сочетании параметров возникают перескоки из одной конфигурации стержня в другую, природу которых невозможно объяснить в рамках квазистатического анализа. Для объяснения данной неустойчивости привлечена динамическая постановка. Нелинейная динамическая задача решена дифференциально-разностным методом, протестированным на модельной постановке, и продемонстрировано совпадение с аналитическим решением. Результатом решения динамической задачи явилось объяснение квазистатических перескоков. Динамическая постановка показала, что вместо квазистатического перескока на первом этапе вращения вала наблюдается плавное проворачивание, резко переходящее в интенсивные колебания. Также определены законы вращения при различных скоростях. Выявлено качественное различие статического и динамического решений. Созданная методика решения нелинейных динамических задач о вращении вала произвольной формы перспективна для моделирования процессов направленного глубокого бурения, актуального в задачах нефтедобычи.

Еще

Гибкий вал, стержень коссера, колебания и перескоки, метод стрельбы, дифференциально-разностный метод

Короткий адрес: https://sciup.org/146211593

IDR: 146211593   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.01

Dynamics of flexible shaft in rigid tube

The paper is concerned with equations and numerical methods for calculation of flexible shaft rotation in a rigid tube. In the very general statement the shaft is represented as a Cosserat rod with an arbitrary dependence of properties on the coordinate. The quasi-static motion is considered in the first. Six equations of motion are obtained for the arbitrary bent and curved rod in the tube of arbitrary geometry. The projection of the equation of moments on the tangent to the curved axis of the rod is shown to be sufficient for describing the shaft motion. This differential equation is expressed in terms of the rotation angle of the rod cross-section. The solution for the quasi-static rotation is obtained both analytically and using the shooting method for boundary-value problem for an ordinary differential equation. The closed form expression for the angles of rotation of the shaft in the rigid tube as a function of the axial coordinates is obtained. The jumps occur for some combination of the parameters and they cannot be explained in the framework of quasi-static analysis. In order to explain the instability, the dynamics statement is applied. The nonlinear dynamic problem is solved by means of differential-difference method which is tested by a comparison with a closed form solution. Solution to the dynamic problem allows one to explain the quasi-static jumps obtained. The dynamic formulation shows that instead of quasi-static jumps the initial stage of rotation is a smooth rotation which jumps are abruptly replaced by intensive vibrations. The laws of rotation at different rotational velocities are determined too. The qualitative difference in the quasi-static and dynamic solutions is exposed. The suggested approach for solving nonlinear dynamic problems of rotation of the shaft with an arbitrary geometry is promising for modeling of processes of the directional deep drilling which is vital for the problems of oil production industry.

Еще

Список литературы Динамика гибкого вала в жесткой трубке

  • Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих стержней. -М.: Наука, 1979.-384 с.
  • Елисеев В.В., Зиновьева Т.В. О передаче вращения посредством гибкого вала//Теория машин и механизмов. -2005. -№ 3. -С. 67-72.
  • Belyaev A.K. Dynamics of a buckled drillstring rotating in a curved oil wellbore//IUTAM Symposium on New Applications of Nonlinear and Chaotic Dynamics in Mechanics. -Springer Netherlands, 1999. -Р. 169-171.
  • Беляев А.К. Локальная неустойчивость вращения бурильной колонны//Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. -2008. -№ 1. -С. 5-11.
  • Belyaev A.K. Example of instability in drive mechanisms//Advanced Dynamics and Model Based Control of Structures and Machines/eds. H. Irschik, A.K. Belyaev, M. Krommer. -Springer Wien New York, 2012.
  • Светлицкий В.А. Механика стержней. Ч. 1. -М.: Высшая школа, 1987. -320 с.
  • Светлицкий В.А., Бондаренко Д.В. Устойчивость гибкого вала при медленном вращении в жестком канале//Вестник Моск. гос. техн. ун-та им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. -2006. -№ 3. -С. 95-105.
  • Елисеев В.В. Механика деформируемого твердого тела. -СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. -231 с.
  • Елисеев В.В. К нелинейной динамике упругих стержней//Прикладная математика и механика. -1988. -Т. 52, № 4. -С. 635-641.
  • Юнин Е.К., Хегай В.К. Динамика глубокого бурения. -М.: Недра, 2004. -286 с.
  • Kreuzer E, Steidl M. Controlling torsional vibrations of drill strings via decomposition of traveling waves//Arch. Appl. Mech. -2012. -Vol. 82(4). -Р. 515-531
  • Coupled axial-torsional dynamics in rotary drilling with state-dependent delay: stability and control/Xianbo Liu, Nicholas Vlajic, Xinhua Long, Guang Meng, Balakumar Balachandran//Nonlinear Dynamics. -2014. -Vol. 78. -P. 1891-1906
  • Analysis of the torsional stability of a simplified drillstring/L.C. Cunha Lima, R.R. Aguiar, T.G. Ritto, S. Hbaieb//Proceedings of the XVII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics. -Brazil, 2015.
  • Leine R.I., Campen D.H. van. Stick-slip whirl interaction in drillstrings dynamics//Journal of Vibration and Acoustic. -2002. -Vol. 124(2). -P. 209-220.
  • Antman S. Nonlinear Problems of Elasticity. -N.Y.: Springer, 1995. -750 p.
  • Жаркова Н.В., Никитин Л.В. Прикладные задачи динамики упругих стержней//Известия РАН. Механика твердого тела. -2006. -№ 6. -С. 80-98.
  • Dynamic characteristics analysis of drill string in the ultra-deep well witch spatial curved beam finite element/Yibao Hu, Qinfeng Di, Weiping Zhu, Zhanfeng Chen, Wenchang Wang//Journal of Petroleum Science and Engineering. -2012. -Vol. 82-83. -P. 166-173.
  • Dasgupta S.S., Samantaray A.K., Bhattacharyya R. Stability of an internally damped non-ideal flexible spinning shaft//International Journal of Non-linear Mechanics. -2010. -№ 3 (45). -P. 286-293.
  • Кирьянов Д.В. Mathcad 14. -СПб.: БХВ-Питер, 2007. -704 с.
  • Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. -М.: Высшая школа, 1970. -712 с.
Еще