авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 36 | 37 || 39 |

«Федеральное агентство по рыболовству Мурманский государственный технический университет (МГТУ) Мурманский морской биологический институт (ММБИ) ...»

-- [ Страница 38 ] --

качество горения топливной смеси в топке, содержания солей в котловой воде, режимов работы основного и вспомогательного оборудования и др.

Непрерывно возрастающая сложность реализации алгоритмов контроля функционирования объектов систем управления в различных режимах и ситуациях привела к необходимости выработки новых подходов при реализации стратегий принятия управленческих решений операторами АСУ ТП [3,4]. Эти стратегии предусматривают необходимость разделения всего процесса принятия решений при реализации управления на такое число уровней, чтобы решение задачи оптимизации на каждом из них было не сложным. Но с возникновением многоуровневых иерархических систем управления появилась и новая задача согласования и координации решений, принимаемых на всех уровнях.

В докладе предлагается новый подход, предусматривающий координацию принятия оптимальных, в смысле заданных показателей качества управления, управленческих решений в двухуровневой системе, смысл которой сводится к следующему. Элементы подсистем управления передают в центр набор основных информативных показателей работы, характеризующий вектор состояния объекта управления. Эта информация представляет собой векторный показатель элемента, допустимый с точки зрения его локальных ограничений. На основании получаемых вариантов центр формирует план реализации стратегии управления, оптимальный с точки зрения функционирования всей системы. Далее этот план передается элементам системы управления и детализируется ими.

Для установления взаимосвязи традиционных задач с новыми задачами управления в докладе предлагается структура системы управления теплоэнергетическим предприятием в виде иерархической. Эта структура предусматривает реализацию функциональных задач управления на основных уровнях:

локального регулирования, локальной оптимизации, координации локальных систем оптимизации, оперативного управления и принятия решений оператором/диспетчером.

При решении задач локального управления в работе предложены алгоритмы нечёткого управления, осуществляющих настройку коэффициентов передачи регуляторов непрерывного управления в соответствии с уставками, задаваемыми локальными оптимизаторами. Эти уставки реализуются в соответствии с заданными показателями качества управления. На этом же уровне выполняются алгоритмы ситуационного управления, реализующие управляющие воздействия в классе:

«ситуация – стратегия - действие».

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" На уровне координации осуществляется согласованное управление локальных оптимизаторов с целью достижения общей задачи функционирования всей системы в целом. При этом, для оптимизации используются критерии оптимальности, которые разработаны и представлены в работе для каждого объекта управления и учитывают требования элементов всей иерархической системы.

На уровне оперативного управления и принятия решений, с помощью алгоритмов ситуационного управления, реализованных на основе методов нечёткой логики, общие цели и задачи управления в конкретных ситуациях преобразуются в конкретные задания для локальной оптимизации. Кроме решения отмеченных выше задач, на этом уровне решаются алгоритмы ситуационного управления при распределении энергетических ресурсов теплоэнергетического предприятия между потребителями энергии. Принятие оператором-диспетчером управленческих решений в различных, в то числе и нештатных ситуациях, стало возможным только на основе реализации алгоритмов интеллектуальной поддержки. С этой целью на этапе ситуационного моделирования разработаны инструкции, которые позволяют оператору принимать управленческие решения в соответствии с утверждёнными нормативно - правовыми документами, определяющими действия оператора в различных ситуациях. Для решения этих задач используются программные средства SCADA-технологий.

Использование предложенного подхода для разработки проектов АСУ ТП, содержащего имитатор технологических процессов, позволяет реализовывать в составе АСУ ТП высокоэффективные алгоритмы: управления и контроля (оптимальное управление, адаптивное управление, диагностика технического состояния, оценивание и идентификация параметров объекта);

а также интеллектуальной поддержки операторов. Следовательно, этот подход позволяет создавать программное обеспечение АСУ ТП, сокращая при этом сроки внедрения проектов.

В докладе представлены результаты, полученные при моделировании объектов управления теплоэнергетического предприятия, позволяющие решать задачу информационной интеллектуальной поддержки операторов автоматизированной системы управления котлами котельной «Северная», а также автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями города Мурманска.

Список литературы:

1) Месарович М., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М: Мир, 1973, 456с.

2) Prokhorenkov A.M. Methods for identification of random process characteristics in information processing systems // IEEE Transactions on instrumentation and measurement, pp 492-496, vol.51, no. 3, 2002.

3) Прохоренков А.М. Реконструкция отопительных котельных на базе информационно-управляющих комплексов. // Наука производству - 2000. № 2. с.51-54.

4) Методы робастного нейро-нечеткого и адаптивного управления. Под ред. Н.Д.

Егупова. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, - 658с.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТРЕНАЖЕРНОЙ ПОДГОТОВКЕ МЕХАНИКОВ Ремезовский В.М. (Мурманск, МГТУ, кафедра электрооборудования судов) В настоящее время за рубежом наблюдается устойчивая тенденция к внедрению интегрированных систем управления (ИСУ) судном с единым управлением, осуществляемым с комплексного центрального поста управления (КЦПУ) – с автоматизированного рабочего места судоводителя в ходовой рубке. Появились новые классы судов, управление которыми осуществляет один вахтенный помощник капитана с ходового мостика («OMBO –ships» – One Man Bridge Operated ships). ИСУ позволяют решать сложные функциональные задачи контроля и управления не только машинно– котельным или навигационным комплексом но и технологическим процессом всего судна, что позволило повысить эффективность управления, его надежность, и снизить эксплуатационные расходы. Для эксплуатации ИСУ необходима специальная подготовка персонала. К наиболее известным методам повышения эффективности подготовки относятся методы обучения на базе тренажерной подготовки. Созданные на базе ЭВМ тренажеры создают для обучаемого условия деятельности, максимально приближенные к реальным.





Программное обеспечение ЭВМ должно выполнять следующие задачи:

- сбор информации о значениях технологических параметров объекта и системы управления:

- фиксация предаварийных и аварийных значений технологических параметров;

- формирование команд управления объектом;

- контроль технологических параметров;

- доступ к командам управления системой;

- доступ к уставкам и таймерам системы управления и контроля;

- обмен измеренными и рассчитанными величинами технологических параметров;

- передачи сигналов состояния системы.

Пакет прикладных программ должен быть максимально ориентирован на обучаемого и преподавателя и позволять:

А) обучаемому:

- осуществлять диалоговое взаимодействие с программными модулями, предназначенными для изучения и освоения управленческих навыков;

- осуществлять управление симуляторами;

- документировать и анализировать процесс освоения учебного материала;

Б) преподавателю:

- осуществлять формирование учебных заданий;

- управлять библиотеками процедур и файлами данных.

На кафедре Электрооборудования судов МГТУ ведется обучение курсантов судомеханического факультета на тренажере DGS-4000. Тренажер на базе микропроцессорной системы фирмы DEIF (Дания) предназначен для обучения судовых специалистов несению вахты в ЦПУ современного судна с высокой степенью автоматизации. Тренажер обеспечивает тренинг по контролю и управлению судовой электроэнергетической системой в различных режимах её работы, включая предаварийный и противоаварийный режим. В тренажере предусмотрен режим предупредительного управления (безопасный режим), предотвращающий возможность «сползания» системы в аварийный режим. Тренажер с успехом используется для Секция "Автоматика и электрооборудование судов" обучения механиков и электромехаников контролю и управлению генераторными агрегатами в полуавтоматическом и автоматическом режиме. В тренажере предусмотрена возможность имитации различных неисправностей, что позволяет обучать отработке действий механика по поиску, локализации и устранению неисправностей оборудования системы в аварийных ситуациях. Тренажер позволяет курсантам отрабатывать действия по сигналам тревог, связанных с работой электроэнергетического комплекса. Дистанционный контроль и управление тренажером электроэнергетической системы осуществляется на персональном компьютере с установленным программным продуктом M-VISION. С помощью стандартного интерфейса создана локальная вычислительная сеть, обслуживающая персональных компьютеров для обучающихся. Используется компьютер верхнего уровня, связанный с системами управления генераторными агрегатами с помощью сети ARC – network. На его дисплее можно проследить за рабочим состоянием генераторных агрегатов, а с его панели управления – производить перепрограммирование величин параметров контроля и управления ими. На кафедре разработаны методики проведения тренинга, позволяющие решать поставленные задачи.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" СОЗДАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВЕКТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНОЙ АНИМАЦИИ Саватеев Д.А. (Мурманск, МГТУ, кафедра электрооборудования судов) Abstract. Computer animation is a mean of electromagnetic processes visualization and educational environment building. Animated mathematical model of transformer and its application in technical subject learning are considered in this article.

Создание действующей компьютерной модели трансформатора имеет своей целью решение методической задачи обучения студентов технических специальностей вуза... Чему же?

Предложение, с которого начата эта статья невозможно окончить, не вступив в противоречие со здравым смыслом. Речь должна идти о преподавании дисциплины "Электрические машины", однако надлежащее использование русского языка не предполагает формулировки "обучение электрическим машинам" или "обучение трансформаторам". Не претендуя на авторство мысли о том, что обучить чему-либо невозможно, а можно только самостоятельно этому научиться, следует заметить следующее. Формулировки, связанные с обучением наукам – физике, математике, и даже умениям – чтению, черчению, семантика русского языка (в отличие от преподавательского сообщества) все же приемлет. Однако когда речь заходит о прикладных дисциплинах, употребление глагола "обучение" становится совершенно невозможным. Нельзя не использовать эту особенность родной речи для постановки и решения методических задач преподавания технических дисциплин вуза.

Итак, модель трансформатора – его векторная диаграмма – известна и используется в преподавании электрических машин десятилетиями. Она наглядно иллюстрирует взаимное расположение векторов электрических величин, рассматриваемых при анализе работы трансформатора, во всех возможных режимах его эксплуатации. Задача преподавателя заключается в том, чтобы передать эту модель студентам, нацеленным на изучение электрических машин переменного тока, с тем, чтобы они могли использовать ее в процессе самообучения. Результат во многом будет зависеть от того, насколько свободно учащийся овладеет этим инструментом.

Рис. 1. Иллюстрация из учебника (1): векторные диаграммы однофазного трансформатора при активно-индуктивной и емкостной нагрузках.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Рис. 2. Фрагмент окна компьютерного приложения "Векторная диаграмма и характеристики трансформатора".

Именно такой подход предполагает классическая методика преподавания дисциплины (1, 2, 3) однако средства реализации методики всегда были ограничены. В первую очередь имеется в виду недостаточная наглядность иллюстраций, приводимых в основных учебниках. На рисунке 1 представлен фрагмент источника (1), содержащий векторные диаграммы трансформатора, работающего на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Такое изложение материала является традиционным и, с авторскими особенностями, повторяется в других учебниках. Помимо этого, обязательно приводятся векторные диаграммы для двух предельных режимов – холостого хода и короткого замыкания, а также несколько диаграмм, иллюстрирующих зависимость изменения напряжения трансформатора от угла и тока нагрузки. Обучение умению воспроизводить этот минимальный набор диаграмм является непростой, но совершенно бесполезной задачей, решение которой и будет тем самым бессмысленным "обучением трансформатору".

Иллюстративные возможности печатной книги весьма ограничены, и сами по себе не дают понимания того, что диаграммы, приводимые в учебниках, являются лишь отдельным фазам движения одной векторной модели.

Для того чтобы уловить это движение и понять, что, собственно, движется, требуются дополнительные методические средства и приемы. На первые роли в создании таких средств сегодня выступает компьютерная анимация. На рисунке 2 представлен фрагмент окна компьютерного приложения, предназначенного для работы с действующей векторной моделью однофазного трансформатора. Приложение написано в среде MATLAB и вызывается из командного окна функцией circus_trans(220,2+6j,20+100j,3+8j,20+12j). Входные аргументы функции в порядке их записи в скобках: напряжение питания первичной обмотки, комплекс сопротивления Z1, комплекс сопротивления цепи намагничивания Z0, комплекс сопротивления Z2/ и комплекс сопротивления нагрузки ZН/. Это значит, что векторная диаграмма строится для конкретного трансформатора, по параметрам его схемы замещения и для заданной нагрузки. За нулевую принята фаза потока (на рис.1 – Фm, на рис. 2 не показывается), действующие значения первичного и вторичного напряжения, всех токов схемы замещения, а также, значения углов (на рис.1 – 1 и 2) размещаются в левом верхнем углу координатных осей (рис. 2). Первые два пункта контекстного меню – "Изменение фазы вторичного тока" и "Изменение модуля вторичного тока" предназначены для выбора режима работы векторной модели. Если выбран первый пункт, можно, "захватив" указателем мыши конец вектора вторичного тока (при неподвижном Секция "Автоматика и электрооборудование судов" состоянии модели он отмечен круглым маркером), перемещать его, изменяя угол нагрузки 2 в диапазоне от +900 до -900. На рисунке 3.б) показана серия положений вектора вторичного тока заданной длины. Вместе с вектором тока I2 перемещаются все векторы диаграммы, проходя бесконечное множество промежуточных положений, включая положения, изображенные на рисунке 1. Таким образом, векторная модель трансформатора оказывается действующей, и все ее изменения становятся не воображаемыми, а наблюдаемыми.

Рис. 3. Перемещение векторов модели в режиме "Изменение модуля вторичного тока" (а) и "Изменение фазы вторичного тока" (б).

Зависимость изменения напряжения от характера нагрузки является важной характеристикой, используемой при изучении трансформатора. Если эта характеристика строится одновременно с описанным перемещением векторов диаграммы, ее смысл и связь с происходящими в трансформаторе процессами становится более очевидной. При выборе пункта контекстного меню "Характеристики" (рис. 2) открывается окно, в котором средствами компьютерной анимации реализуется такая возможность. На рисунке 4 показано, что фаза вторичного тока изменяется от +900 до отрицательных значений, при этом точка в координатах 2 - U2 движется по траектории, U2=f(2).

являющейся зависимостью Возможность наблюдать это перемещение и построение имеет важное методическое значение.

По существу, работа с интерактивной Рис. 4. Построение зависимости векторной моделью является виртуальным U2=f(2) лабораторным опытом, проведение которого в Секция "Автоматика и электрооборудование судов" реальных условиях практически невозможно, поскольку это потребовало бы наличия нагрузки с уникальными свойствами: плавно меняющимся характером и возможностью поддерживать неизменность величины потребляемого тока. На практике зависимость изменения вторичного напряжения от угла нагрузки строится аналитически, по известной формуле, для неизменного коэффициента загрузки трансформатора.

Компьютерная программа позволяет студенту проводить опыт снятия зависимости U2/=f(2), меняя начальное условие - модуль вторичного тока, что делает исследование многовариантным.

Второй режим работы модели, включаемый посредством выбора пункта контекстного меню "Изменение модуля вторичного тока" (рис.2), позволяет наблюдать построение внешней характеристики трансформатора, а также, зависимости кпд трансформатора от его загрузки. В этом режиме курсором компьютерной мыши изменяется длина вектора вторичного тока (рис. 3.а), вследствие чего перемещаются все векторы модели трансформатора, а в координатах I2/-U2/ и I2/- вычерчиваются соответствующие этим перемещениям зависимости. На рисунке показаны графики, снятые для углов нагрузки 300, 00 и –300. Абсолютно плавное изменение угла нагрузки, производимое в режиме "Изменение фазы вторичного тока", определяет возможность построения бесконечного множества аналогичных зависимостей в режиме "Изменение модуля вторичного тока".

Комбинация двух режимов работы приложения Рис. 5. Зависимости U2/=f(I2/) охватывает весь спектр режимов работы и =f(I2/), снятые при реального трансформатора.

"Докомпьютерная" методика изучения различных углах нагрузки.

трансформатора предполагает не наблюдаемое в действительности, а умозрительное экспериментирование с образом векторной модели.

Этот образ должен быть создан в воображении студента на основе формул и изображений отдельных фаз движения. Использование компьютерной анимации способствует решению этой задачи, и позволяет существенно сократить затраты учебного времени на освоение векторной модели. Но значительно более важным является то, что интерактивная векторная диаграмма и соответствующий компьютерный интерфейс создают среду обучения, находясь в которой учащийся может самостоятельно изучать условия и режимы работы трансформатора посредством исследования его модели.

Список литературы:

1) Костенко, М. П. Электрические машины / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. – М. – Л. : Энергия, 1964. – 544 с.

2) Вольдек, А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. – М. – Л. : Энергия, 1966. – 782 с.

3) Мезин, Е. К. Судовые электрические машины / Е. К. Мезин, - Л. : Судостроение, 1985. – 320 с.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ АНИМАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНТЕРАКТИВНОЙ КРУГОВОЙ ДИАГРАММЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ Саватеев Д.А. (Мурманск, МГТУ, кафедра электрооборудования судов) Abstract. Circular current diagram is a traditional mean of induction motor processes analysis. Computer animation lets to create mobile and interactive diagram. Computer application, realizing this potentialities, and problems of its using in education process are considered in this article.

Круговая диаграмма асинхронной машины, построенная на основе Г образной схемы замещения, применяется для промышленных испытаний новых или отремонтированных электродвигателей, а также для построения по расчетным данным их основных рабочих характеристик. С развитием компьютерной техники необходимость в изображении диаграммы и нанесении на нее шкал кпд, момента, мощностей, скольжения и т.п. (рис. 1) отпадает – все вычисления, производимые ранее Рис. 1. Иллюстрация из источника (1): круговая графоаналитическим методом, диаграмма асинхронной машины с нанесенными сегодня могут быть выполнены на нее осями кпд и скольжения.

аналитически с помощью ЭВМ.

Однако, несмотря на развитие вычислительной техники, наглядность круговой векторной диаграммы определяет ее актуальность и позволяет ей и сегодня оставаться современным средством анализа режимов работы асинхронной машины.

В курсе электрических машин технического вуза круговой диаграмме традиционно уделяется значительное внимание не только в рамках изучения методики, содержащейся в ГОСТ на испытание электрических машин (4), но и как средству исследования и изучения асинхронного двигателя (1, 2, 3). Перемещение векторов диаграммы соответствует различным режимам работы реального двигателя и иллюстрирует формирование его пусковых и рабочих характеристик. Таким образом, круговая диаграмма является визуализированной математической моделью асинхронной машины, Рис. 2. Векторная диаграмма асинхронной машины. использование которой при Секция "Автоматика и электрооборудование судов" изучении материала курса позволяет студенту установить связь между формульным описанием и графическим представлением основных закономерностей.

Методическая значимость круговой диаграммы заключается в том, что с ее помощью удается сформировать в сознании студента визуальный образ, к которому впоследствии он может обращаться умозрительно. Формульное описание закономерностей в значительно меньшей мере предполагает такую возможность, особенно, если речь идет об объемных зависимостях тока ротора и электромагнитного момента асинхронной машины от скольжения. В отличие от формульной записи, необходимой для получения максимально точных количественных результатов расчета, упрощенная круговая диаграмма, являющаяся инструментом образного мышления, дает качественное представление о характере изменения электромагнитных величин. Это особенно важно для обучения студентов тех специальностей технического вуза, учебным планом которых на изучение электрических машин отводится не более одного семестра, а также для студентов дистанционной и заочной форм обучения. В этих условиях формирование цельного представления о таком сложном техническом объекте, как асинхронный двигатель, становится актуальной методической задачей.

Использование для решения этой задачи компьютерной анимации явилось продолжением научно-педагогической деятельности, направленной на интеграцию современных компьютерных технологий в процесс обучения студентов технического вуза. Компьютерное приложение circus_AM продолжает ряд приложений серии circus, анимирующих векторные диаграммы электрических объектов – от простейших неразветвленных цепей до электрических машин (circus, circus_trans).

Приложение написано на языке MATLAB и обращение к нему из командной строки имеет следующий вид: circus_AM(220, 10+50j,2+7j,5+8j,0.04). Аргументы функции в порядке их следования в скобках: напряжение Рис. 3. Построение питания фазы обмотки статора, комплекс круговой диаграммы.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" полного сопротивления цепи намагничивания Г-образной схемы замещения, комплексы сопротивлений Z1 и Z2/ Т-образной схемы замещения и номинальное скольжение ротора двигателя. Результатом обращения к функции circus_AM является векторная диаграмма, построенная для скольжения, равного единице (рис. 2). На векторную диаграмму нанесены линии будущей круговой диаграммы – Р1=0, Р2=0, Рис. 4. Работа приложения circus_AM в режиме "Пусковые характеристики".

• // РЭМ=0 и текущее значение скольжения. Конец вектора тока I 2 отмечен круглым маркером, в который необходимо поместить указатель мыши, чтобы привести диаграмму в движение. При захвате маркера он гаснет, и вектор вторичного тока приходит в движение, следуя за перемещениями указателя мыши. На рисунке • // показано несколько фаз движения, при котором конец вектора тока I 2 описывает окружность. Одновременно с этим перемещается вертикальный отрезок, участки которого пропорциональны значениям физических величин, характеризующих работу асинхронной машины: подведенной электрической мощности, мощности на валу, электромагнитному моменту, потерям в стали, в меди статорной и роторной обмоток.

Выбор пункта контекстного меню "Пусковые характеристики" (рис. 2) переводит приложение в режим построения механической (n=f(М)), моментной (M=f(s)) и токовой (I1=f(s)) характеристик. На рисунке 4 показано, как одновременно с движением векторов диаграммы в трех координатных осях перемещаются точки, "рисующие" характеристики асинхронной машины. Возможность наблюдать это движение имеет большую методическую ценность в период формирования у студента представлений о взаимосвязи характеристик асинхронной машины и ее круговой диаграммы.

При выборе пункта контекстного меню "Рабочие характеристики" (рис. 2) интерфейс приложения принимает вид, представленный на рисунке 5. В левых координатных осях помещается фрагмент круговой диаграммы, соответствующий Секция "Автоматика и электрооборудование судов" изменению мощности двигательного режима работы машины в диапазоне (01,2)Р2Н. В правых координатных осях одновременно с движением векторов векторной диаграммы перемещаются цветные маркеры, "рисующие" рабочие характеристики двигателя. В данном режиме студенту, работающему с приложением, предоставляется возможность изучать влияние номинальных параметров машины на ее характеристики. Помимо этого режим может быть использован для проверки Рис. 5. Построение рабочих результатов аналитического расчета характеристик асинхронного двигателя с характеристик, являющегося, как использованием приложения circus_AM.

правило, частью курсового проектирования по дисциплине "Электрические машины".

Таким образом, компьютерная анимация является не только средством повышения качества изложения и объяснения материала раздела "Асинхронные машины", но, главным образом, средством создания интерактивной среды самообучения. Анимированная векторная диаграмма, оперативно откликающаяся на изменение параметров и переменных, способна стать элементом, объединяющим формульное, текстовое и традиционное графическое изложение учебной информации в законченное и цельное представление о сложном электротехническом объекте – асинхронном двигателе.

Список литературы:

1) Костенко, М. П. Электрические машины / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. – М. – Л. : Энергия, 1964. – 544 с.

2) Вольдек, А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. – М. – Л. : Энергия, 1966. – 782 с.

3) Мезин, Е. К. Судовые электрические машины / Е. К. Мезин, - Л. : Судостроение, 1985. – 320 с.

4) ГОСТ 7217- Секция "Автоматика и электрооборудование судов" РЕЗОНАТОРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ Совлуков А.С.1,2, Маслов А.А.1, Яценко В.В.1, Власова А.Р. (1 Мурманск, МГТУ, кафедра АиВТ, jacenkovv@rambler.ru;

Москва, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН sovlas@ipu.rssi.ru) Abstract. Radiofrequency resonator method for concentration measurement of solutions is proposed. The method implies application of modified striplines as sensors. According to the method, a section of a stripline is considered as resonator sensor. Structural schemes and relationships for this method are presented.

Введение Важным параметром, подлежащим высокоточному определению во многих отраслях промышленности, является концентрация технологических смесей. В частности, требуется поддержание определенной концентрации влагосодержащих смесей (растворов). К их числу можно отнести, в частности, коптильные жидкости, в которых переменным является степень содержания одного из компонент, например, карбонильных соединений, при фиксированных значениях других компонент (фенолов, кислот и др.). С учетом существенного различия электрофизических характеристик веществ, образующих технологическую смесь, целесообразно осуществлять синтез концентратомеров на базе радиоволновых методов, обладающих известными преимуществами по сравнению с другими электрическими методами (Викторов и др., 1978;

1989). Наряду с синтезом датчиков концентрации на основе отрезков длинной линии (Ершов и др., 2007;

Совлуков и др., 2007) представляет интерес их реализация с применением полосковых линий (Ершов и др., 2000;

Ершов и др., 2000a).

Несимметричная полосковая линия На рис. 1 изображена полосковая линия, называемая несимметричной полосковой линией (НПЛ), у которой одним проводником является металлическая зигзагообразная полоска, длина которой составляет около 1 м, второй проводник – слой меди, покрывающий всю площадь обратной стороны подложки (Ершов и др., 2000;

Ершов и др., 2000a).

Рис. 1. Несимметричная полосковая линия с одним из проводников в виде зигзагообразной полоски.

На рис. (рис. 2,а) изображена НПЛ, представляющая собой двухпроводную полосковую линию, состоящую из полоски шириной w и толщиной t, помещенной на расстоянии h от экранирующей пластины, имеющей ширину a. Пространство между проводниками и над полоской заполнено воздухом. Основной волной в НПЛ является волна ТЕМ, для которой критическая длина волны кр =. На практике находит применение несколько измененная конструкция (рис. 2,б), в которой между полоской и экранирующей пластиной 2 помещается подложка из диэлектрика 3 (Ершов и др., 2000a). Если сравнивать передачу энергии по НПЛ с воздушным и диэлектрическим заполнением, то в последнем случае уровень излучения в окружающее пространство гораздо ниже, что связано с увеличением концентрации электромагнитного поля в Секция "Автоматика и электрооборудование судов" диэлектрике подложки, особенно при больших значениях диэлектрической проницаемости ее материала. Приближенно можно считать, что структура основной волны в полосковой линии с диэлектрическим заполнением, называемой квази-ТЕМ, совпадает со структурой ТЕМ-волны. Дисперсия (зависимость характеристик распространения основной волны ТЕМ от частоты) не проявляется при значениях частоты f 1 ГГц (Пименов и др., 2000). Рассматриваемую здесь полосковую линию с зигзагообразной металлической полоской можно рассматривать как длинную линию;

взаимным влиянием электромагнитных полей участков этой линии можно пренебречь при расчете характеристик распространения электромагнитных волн вдоль такого отрезка линии. Волна квази-ТЕМ в рассматриваемой полосковой линии переносит часть электромагнитной энергии в подложке, а часть – в окружающем пространстве, в данном случае в жидкости, концентрация которой подлежит определению.

а) б) Рис. 2. Несимметричная полосковая линия: а) с воздушным заполнением между проводниками;

б) с диэлектрической подложкой между проводниками.

Эффективную диэлектрическую проницаемость эфф0 для волны квази-ТЕМ в НПЛ с диэлектриком 3 между проводниками 1 и 2, имеющим диэлектрическую проницаемость, и окружающим линию воздушным пространством можно выразить следующей формулой, если считать толщину t полоски 1 пренебрежимо тонкой (Пименов и др., 2000):

+1 + (1) эфф0 = + 2(1 + 10h / w) Волновое сопротивление Zв данной НПЛ можно выразить следующей формулой с относительной погрешностью, не превышающей 0,6 % (Пименов и др., 2000):

Z в эфф0 = при w/h 2, (2) w / h + (2 / ) ln[17,08( w / 2h + 0,92)] Z в эфф0 = 60[ln(8h / w) + w 2 /(32h 2 )] при w/h 2 (3) При конечной толщине t полоски 1, в случае 0 t/h 0,1, сопротивление Zв можно определить по формулам (2) и (3), если вместо w/h подставить w’/h, где w ' / h = w / h + t[1 + ln(2h / t )] /(h) при w/h 0,16 (4) w / h = w / h + t[1 + ln(4w / t )] /(h) при w/h 0, ' (5) Для определения концентрации датчик в виде отрезка полосковой линии следует подсоединить к электрической схеме в качестве ее элемента и, измеряя тот или иной параметр этой схемы, судить о концентрации смеси. При этом, в зависимости от структурной схемы измерения и информативного параметра датчика, возможны различные реализации схем концентратомеров. Информативным параметром резонаторных датчиков может, в частности, служить: резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка полосковой линии, рассматриваемого в качестве резонатора. Рассмотрим возможные методы реализации резонаторных концентратомеров.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Резонаторные датчики концентрации в виде отрезков полосковой линии Датчики на базе отрезков длинной линии – радиочастотные датчики – это ВЧ резонаторы с резонансными частотами, как правило, до 100 МГц. Информативными параметрами резонаторных датчиков концентрации на основе рассматриваемых полосковых линий могут служить собственная (резонаторная) частота f электромагнитных колебаний, а также добротность Q резонатора. Для смесей достаточно хороших диэлектриков целесообразно использовать в качестве информативного параметра резонансную частоту f, а в случае контроля смеси веществ, обладающей существенными диэлектрическими потерями, целесообразно использовать добротность Q резонатора. Для контроля концентрации смеси веществ с произвольными электрофизическими параметрами, в том числе и обладающими большими диэлектрическими потерями (вода, спирты и др.), могут быть применены резонаторы на основе отрезков полосковой линии с покрытием поверхности с полоской 1 слоем диэлектрического вещества определенной толщины.

Анализ известных структурных схем измерителей с преобразованием резонансных частот (Викторов и др., 1978) показывает, что наиболее приемлемыми для построения измерителей концентрации является автогенераторные схемы. Эти схемы выгодно отличаются от остальных простотой реализации и высокими метрологическими характеристиками. Основным фактором, ограничивающим область применения таких схем, является требование, чтобы добротность датчика была бы 10.

Однако это требование можно выполнить достаточно легко с помощью датчиков с покрытием диэлектрической оболочкой проводников (хотя бы одного) отрезков линии.

На рис. 3 представлена структурная схема одноканального концентратомера, состоящая из резонансного датчика 1, автогенератора 2, делителя частот 3 и преобразователя частота/напряжение 4. Датчик включается в частотозадающую цепь автогенератора и определяет его частоту генерации. Обычно эта частота лежит в диапазоне от единиц до сотен мегагерц и зависят в основном от геометрических размеров датчика. Высокочастотные колебания затем поступают на делитель частоты, в котором происходит понижение частоты генератора до требуемой величины (обычно ~ 10 кГц). После этого сигнал подается на преобразователь частота/напряжение.

Рис. 3. Одноканальный концентратомер.

1 – резонансный датчик;

2 – автогенератор;

3 – делитель частоты;

4 – преобразователь частота/напряжение.

Для технической реализации этой системы требуется всего 3 микросхемы и один транзистор, поэтому эта схема занимает небольшой объем и легко может быть размешена в головке датчика. Недостатком одноканальной схемы является необходимость подстройки "нуля", т.к. параметры самой контролируемой среды, так и параметры автогенератора подвержены различного рода возмущающим воздействиям (температура, влажность, старение и т.д.).

От этого недостатка в значительной степени свободна схема двухканального концентратомера (рис. 4), которая от одноканальной схемы отличается наличием двух датчиков: датчика образцовой среды 1 и датчика контролируемой жидкости 2. Датчики находятся в одинаковых условиях и поэтому все возмущающие воздействия приводят к одинаковым изменениям резонансной частоты, которые компенсируются в схеме Секция "Автоматика и электрооборудование судов" вычитания 5. Помимо указанных выше узлов эта схема состоит из двух автогенераторов 3, двух делителей частоты 4 и преобразователя частота/напряжение 6.

Рис. 4. Структурная схема двухканального концентратомера.

1 – образцовый датчик;

2 – рабочий датчик;

3 – автогенератор;

4 – делитель частоты;

5 – вычитающее устройство;

6 – преобразователь частота/напряжение.

Датчик концентрации представляет собой отрезок полосковой линии, разомкнутый на одном из концов. Другим концом этот отрезок линии подключен к электронному блоку, осуществляющему возбуждение в отрезке линии электромагнитных колебаний и измерение его резонансной частоты f как функции концентрации К смеси. Для такого отрезка линии зависимость f(K) имеет вид:

f ( K ) = f [ ( ), f ], (6) && ЭФФ см где см = см – i см – комплексная диэлектрическая проницаемость смеси;

( ) – && & эфф см эффективная комплексная диэлектрическая проницаемость для полосковой линии;

f0 – начальное значение резонансной частоты f в отсутствие контролируемого вещества.

Как следует из (Никулин и др., 1992), зависимость эфф ( см ) может быть & представлена так:

(7) a ( 1) & = + & см +b & эфф эфф см где эфф0 – эффективная диэлектрическая проницаемость для полосковой линии в отсутствие контролируемого вещества;

ее величина выражается формулой (1);

параметры a и b в (7) находят методом наименьших квадратов при помощи модели трехслойной полосковой структуры (Yamashita et al., 1968;

Yamashita, 1968).

Для разомкнутого на конце отрезка рассматриваемой линии его резонансная частота f0 может быть выражена следующей формулой (Викторов и др., 1978):

cn (8) f0 =, n = 1,2,...

2 эфф0 l где n = 1,2,… – номер типа колебаний (гармоники), возбужденного в отрезке длинной линии;

l – длина отрезка длинной линии;

с = 3·108 м/с – скорость света.

Для отрезка полосковой линии, короткозамкнутого на одном из концов c(2n + 1) (9) f0 =, n = 0,1,2,...

4 эфф0 l Для отрезка полосковой линии, короткозамкнутого на обоих концах выражение для f0 имеет следующий вид:

cn f0 =, n = 1,2,... (10) 2 эфф0 l Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Данная формула идентична (8). В обоих случаях резонатор является полуволновым;

его длина пропорциональна числу полуволн вдоль отрезка длинной линии в соответствии со значением n (номером типа колебаний, или гармоники).

Заключение Рассмотренный радиочастотный резонаторный метод измерения может быть применен для контроля концентрации смесей (растворов) жидкостей, в том числе влагосодержания жидкостей, и других физических свойств веществ. Как датчики на основе отрезков полосковой линии, так измерительные устройства в целом достаточно просты в реализации.

Список литературы:

1) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с.

2) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.

3) Ершов А.М., Маслов А.А., Совлуков А.С., Фатеев В.Я., Яценко В.В.

Радиочастотная концентратометрия технологических водных растворов// Датчики и системы. 2007. № 11. C. 17-21.

4) Ершов А.М.,. Маслов А.А, Курамшина А.Р., Яценко В.В. Метод диэлектрической спектроскопии физических свойств жидкости// Межвузовский сборник трудов по материалам Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2008». [Электронный ресурс] МГТУ. Электрон. текст.дан. Мурманск: МГТУ, 2008.

5) Ершов, А.М. Метод диэлектрической спектроскопии измерения физических свойств жидкостей [Электронный ресурс]/ А.М. Ершов, А.А. Маслов, А.С. А.Р.

Курамшина, В.В. Яценко // Матер. российской конф. с междунар. участием “Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ’08)” (10-12 ноября 2008 г.) - Москва: ИПУ РАН, 2008. - С. 620 627.

6) Никулин С.М., Седельникова И.М. Экспресс-контроль влажности материалов в промышленности и сельском хозяйстве// 2-я Крымская конф. “СВЧ-техника и спутниковый прием”. Материалы конф. Севастополь. 1992. С. 167-172.

7) Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика.

Под редакцией Пименова Ю.В.;

Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2000. 536 с.

8) Совлуков А.С., Фатеев В.Я. Радиочастотные резонаторные измерения концентрации водных растворов// Измерительная техника. 2007. № 10. С. 65-67.

9) Yamashita E., Mittra R. Variational method for the analysis of microstrip lines// IEEE Transactions on Microwave theory and Techniques. 1968, Vol. MTT-16. No 4. P.

251-256.

10) Yamashita E. Variational method for the analysis of microstriplike transmission lines// IEEE Transactions on Microwave theory and Techniques. 1968, Vol. MTT-16. No 8.

P. 529-535.

Секция "Автоматика и электрооборудование судов" РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОПОЛОСКОВОГО ДАТЧИКА Маслов А.А., Яценко В.В., Власова А.Р., Власов А.В.

(Мурманск, МГТУ, кафедра Автоматики и вычислительной техники, ican2005@yandex.ru) Abstract. The article describes mathematical modeling of mircostrip sensors placed in examined liquid based on amplitude-frequency analysis.

Аннотация. В статье рассматривается математическое описание микрополосковых чувствительных элементов, помещенных в исследуемую жидкость, составленное на основе анализа их амплитудно-частотных характеристик.

Во многих отраслях промышленности важно с высокой точностью определять состав многокомпонентных смесей. Это требуется, в частности, для пищевой, химической промышленности, для решения экологических проблем и в научных исследованиях.

При изучении химического состава вещества одним из перспективных методов является спектроскопическое исследование. Как известно, его сущность заключается в определении зависимости свойств вещества от частоты или скорости изменения внешнего воздействия (1,2).

Особый интерес представляют технологические жидкости, основу которых составляет вода (например, коптильные препараты). С целью определения возможности применения данного метода для анализа состава таких смесей были исследованы водные растворы лимонной кислоты.

Измерительная ячейка изготовлена в виде двухсторонней пластины, одна сторона которой представлена в виде линии, длиной порядка 1 м, а вторая сторона полностью покрыта медью. На чувствительный элемент, погруженный в исследуемую жидкость, подавался набор гармонических сигналов с диапазоном частот от 1 до МГц с помощью генератора высокочастотных сигналов Г4 - 102А. Внешний вид измерительной ячейки представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид датчика, погружаемого в исследуемую жидкость.

Для измерения напряжения на входе и выходе датчика использовался цифровой осциллограф фирмы ACUTE.

В ходе опытов по полученным осциллограммам (рисунок 2) графоаналитическим методом измерялись амплитуды входного Авх и выходного Авых сигналов, и анализировался коэффициент передачи А.

По данным эксперимента были построены соответствующие зависимости А (рисунок 3), где А = вых.

Авх Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Рисунок 3 Зависимость коэффициента Рисунок 2 Экспериментальные передачи системы с датчиком, помещенным в осциллограммы различные водные растворы лимонной кислоты.

Концентрация, %: 1 – 0,5;

2 – 1;

3 – 1,5;

4 – 2%.

Предварительный анализ полученных кривых позволяет сделать вывод о том, что в частотном диапазоне до 1 МГц измерительная ячейка, помещенная в жидкость, не чувствительна к изменению химического состава раствора, а на более высоких частотах она может рассматриваться как колебательное звено.

Передаточная функция такого звена:

k W ( p) = 2 2, (1) Tk p + 2Tk p + где Tk - период колебаний, - коэффициент демпфирования, k - коэффициент передачи.

Так как на низких частотах амплитуды входного и выходного сигналов равны, коэффициент передачи равен 1.

Для определения остальных параметров передаточной функции воспользуемся зависимостью амплитуды от частоты входного сигнала для колебательного звена (2):

A( w) =. (2) (1 Tk w) + (2Tk w) 2 На графиках (рисунок 4) выделим две характерные точки: частота, при которой амплитуда принимает максимальное значение (f1);

максимальная частота, при которой амплитуда равна 1 (f2).

Рисунок 4 – К определению параметров колебательного звена Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Координаты этих точек подставим в формулу (2) и решим систему уравнений относительно и Tk.

A1 = (1 Tk2 w1 ) 2 + (2Tk w1 ). (3) A2 = (1 Tk2 w2 ) 2 + (2Tk w2 ) Нахождение значений и Tk. для характеристик, построенных при различных значениях концентрации лимонной кислоты в водном растворе, позволяет построить расчетные амплитудно-частотные характеристики (рисунок 5).

Рисунок 5 Расчетные амплитудно- Рисунок 6 Сравнение экспериментальной частотные характеристики и расчетной кривой амплитудно-частотной измерительной ячейки для разных характеристики для раствора с концентрацией составов водных растворов: лимонной кислоты 0.5%:

концентрация лимонной кислоты 1 кривая, построенная по результатам 1 – 0,5%;

2 – 1%;

3 – 1,5%;

4 – 2% эксперимента;

2 расчетная кривая.

Анализ отклонений расчетных характеристик от экспериментальных кривых (рисунок 6) показал, что расхождение составляет порядка 5 %. Таким образом, измерительную ячейку, помещенную в водный раствор, можно рассматривать как колебательное звено в рассматриваемом частотном диапазоне. В этом случае, эквивалентная схема такой электрической системы (3) может быть представлена так, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема измерительной ячейки Секция "Автоматика и электрооборудование судов" Непосредственное измерение электрических параметров ячейки позволяет сделать вывод о том, что R1 и L1 зависят непосредственно от конструкции микрополоскового элемента (длина линии определяет сопротивление R1, количество изгибов линии индуктивность L1). Эти параметры не зависят от химического состава жидкости, в которую помещается датчик. Численные значения параметров C1 и R учитывают как конструктивные особенности элемента, например, технология изготовления, емкости и сопротивления на границе раздела фаз (проводник диэлектрическая оболочка, диэлектрическая оболочка-жидкость), так и непосредственное изменение химического состава раствора. Поэтому существует возможность определения взаимосвязи между электрическими параметрами измерительной ячейки и электрофизическими характеристиками раствора (диэлектрической проницаемостью и электропроводностью).

Кроме непосредственного вычисления значений электрофизических параметров исследуемой жидкости, метод построения амлитудно-частотных характеристик позволяет составить уравнение регрессии, используя теорию планирования активного эксперимента (например, план Бокса-Бенкина). Такое уравнение позволит найти взаимосвязь между изменяющимися значениями характерных точек амплитудно частотной характеристики (максимальное значение амплитуды;

частота, при которой амплитуда равна 1;

частота, при которой амплитуда достигает максимального значения и др.) и концентрацией примесей в технологической многокомпонентной смеси.

Заключение Представленная математическая модель и эквивалентная схема электрической системы измерительной ячейки, помещенной в исследуемый раствор, позволят получить зависимости между значениями характерных точек амплитудно-частотных характеристик и процентным содержанием примесей в жидкости. При разработке микроконтроллерного прибора, позволяющего анализировать состав многокомпонентных смесей, полученные функциональные связи дадут возможность интерпретировать экспериментальные амплитудно-частотные характеристики и определить химический состав исследуемой жидкости.

Список литературы:

1) Ершов, А.М. Измерение концентрации веществ в водных растворах / А.М. Ершов, А.А. Маслов, А.С. Совлуков, В.Я. Фатеев, Яценко В.В.//Вестник МГТУ: труды Мурм. гос. техн. ун-та. - 2006. - Ч. 5 № 9. – С. 874 – 2) Ершов, А.М. Определение выходной характеристики радиочастотного концентратомера/ А.М. Ершов, А.А. Маслов, А.С. Совлуков, В.Я. Фатеев, Яценко В.В.//Сборник трудов по материалам Международной научно технической конференции «Наука и образование – 2007». Мурманск. Апрель, 2007.

3) Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, В.А., Попов Е.П. Изд. 4-е, перераб. И доп. СПб, Изд-во «Профессия», 2003.752 с.

СЕКЦИЯ «ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ШЕЛЬФОВЫХ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ»

Секция «Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий»

Виноградов Ю.А., Жеребцов В.Д. Волоконно-оптические технологии и их применение для исследования нефтегазовых месторождений и мониторинга промысловых площадей на шельфе........................................................................ Герасимова О.В., Янгазитов М.Н. Применение программного комплекса ANSYS при проектировании магистрального подводного трубопровода................................ Джамалова Э.Б., Янгазитов М.Н. Методика применения программ ANSYS и COSMOS для решения задач о расчете температурных напряжений в трубе обсадной колонны.................................................................................................... Джамалова Э.Б., Янгазитов М.Н. Оценка методик определения устойчивости обсадных колонн в многолетнемерзлых породах.................................................. Джамалова Э.Б., Янгазитов М.Н. Термоупругие задачи устойчивости обсадных колонн в многолетнемерзлых породах................................................................ Коротаев Б.А., Задорожный Т.Н. К вопросу о деформации горных пород............. Мотылева Т.А., Янгазитов М.Н. Методика определения вязкости бурового раствора в кольцевом пространстве скважины................................................................... Мохов Г.В., Николаев В.И. Новые документы российского морского регистра судоходства для нефтегазовых работ на шельфе.

................................................. Рожков А.С. Расчет гравитационного поля для двумерных тел.................................. Шишко А.Л. Проектный расчет трубопровода со Штокмановского ГКМ для стационарного течения газа в трубопроводе диаметром 1020 мм....................... Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И МОНИТОРИНГА ПРОМЫСЛОВЫХ ПЛОЩАДЕЙ НА ШЕЛЬФЕ Виноградов Ю.А.1, Жеребцов В.Д.2 (1 Апатиты, Кольский филиал Геофизической службы РАН, vin@krsc.ru, 2 Мурманск, НПП ООО "АКВА") Abstract. The necessity of a creation in Russia of a competitive undersea seismic-and acoustic measuring system to be used in surveying and monitoring of oil-and-gas fields using fiber-optic technology are shown at this article. These allow to effectively solve the problems of fuel raw materials base replenishment, at the expense of supplementary development of the oilfields decommissioned, and of new oilfields surveying, etc.

Большая часть перспективных нефтегазоносных структур в РФ находятся на шельфе и в транзитных зонах, при этом лишь для 14% из них созданы трехмерные геолого-геофизические модели, позволяющие надежно оценить запасы и приступить к стадии освоения месторождений. Темпы разведочных работ не обеспечивают восполнение погашаемых запасов на эксплуатируемых месторождениях и их качественного мониторинга, что обусловлено в значительной степени отсутствием в РФ высокопроизводительных систем поиска и мониторинга.

Почти полвека на рынке измерительных систем и датчиков, применяемых для поиска и при мониторинге морских месторождений, доминируют электронные измерительные технологии, которые предполагают преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и последующую его обработку (электродинамический, электромагнитный, пьезокерамический и др.). Современной альтернативой этому традиционному подходу является использование волоконно оптических измерительных систем (ВОИС), в которых измеряемый параметр преобразуется в оптический сигнал, передающийся по оптоволокну [Жеребцов].

С конца 90-х годов ведущие зарубежные нефтегазовые компании BP, StatoilHydro, Shell и другие, совместно с предприятиями ВПК США, Англии, Норвегии расширили применение конверсионных разработок для морской геофизики с тем, чтобы уже в ближайшее время заменить традиционные измерительные комплексы на ВОИС, имеющие значительные экономические, технические и экологические преимущества [Terry Knott]. Натурные испытания опытного образца ВОИС для 4D-4C исследований, проведенные в 2007 г. компанией Stingray Geophysical в Северном море, показали высокую эффективность поиска нефтегазовых месторождений и возможность повышения отдачи пласта на 50%. Помимо поисковых систем, начато внедрение контрольно-мониторинговых комплексов с ВОИС для исследования гидродинамики скважин (температура, давление) и состояния морских трубопроводов.

Преимущества ВОИС при создании систем акусто-сейсмического мониторинга оффшорных зон обусловлены такими свойствами оптоволоконной аппаратуры как широкополосность;

малые потери при передаче сигнала;

малый диаметр и масса кабельной системы;

эластичность, механическая прочность;

безиндукционность (отсутствует влияние электромагнитной индукции, а значит и опасные проявления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линиям электропередач, импульсами тока в силовой сети);

взрывобезопасность;

высокая электроизоляционная прочность;

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, пресной и морской воде [Окоси Т. и др., Коломиец]. Разработка ВОИС относится к Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" сфере высоких технологий и предполагает широкое вовлечение нанотехнологий в область измерений, чему в последние годы уделяется особое внимание в стратегических национальных программах развития научно-технического потенциала России.

До 1992 г. Россия лидировала в области разработки волоконно-оптических измерительных технологий (ВОИТ), ориентированных на решение оборонных задач и спецприменений, однако в последующие 15 лет это направление не получало поддержки, как впрочем и отечественное геофизическое приборостроение на стандартной (электрической) технологии, что привело к существенному отставанию от ведущих морских держав в этой отрасли. Многокомпонентные донные измерительные системы, крайне необходимые для высокоточных сейсмических исследований и мониторинга месторождений на шельфе, так и не успели получить развития в СССР [5].

Современная аппаратура, содержащая высокоточные приборы и компоненты ВОИС, фактически находится под запретом к ввозу в РФ в связи с возможностью ее двойного применения, поэтому российские научно-исследовательские суда при выполнении работ на российском шельфе до сих пор вынуждены использовать устаревшую зарубежную сейсмоакустическую технику, малопригодную для 3D-4D моделирования и детальной разведки морских месторождений.

Вышеуказанные обстоятельства предопределяют актуальность организации в России собственного производства ВОИС на основе научно-технического задела, который еще сохранен в специализированных научных предприятиях России.

Внедрение инновационных технологий в морскую геологоразведку позволит повысить разрешающую способность сейсмоакустических исследований в 8-10 раз, существенно повысит детальность и точность построения объемных моделей нефтегазовых полей, что даст возможность уменьшить затраты на разведочное бурение работ и обеспечит снижение стоимости разведки нефти и газа на сотни миллиардов рублей.

Для контроля и управления геодинамическим режимом в зонах освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ) и нефтяных месторождений на шельфе Баренцевого моря, а также на участках прокладки морских трубопроводов в соответствии с концепцией «Геодинамическая безопасность освоения углеводородного потенциала недр России» (2000) должен быть сформирован Блок сейсмологического мониторинга (БСМ) для постоянной регистрации природных и техногенно-индуцированных землетрясений на территории промышленного освоения.

Это особенно важно именно в районе освоения ШГКМ, где по предварительным оценкам индуцированная сейсмичность может достичь 8-9 баллов [5]. БСМ должен обладать чувствительностью, гарантирующей обнаружение и точную локацию событий с магнитудой 1-2, поскольку они способны вызвать опасные оползни и сплывы в рыхлом покрове морского дна. БСМ должен также обеспечивать надежное определение гипоцентров толчков в контурах месторождения и вблизи него.

С учетом вышесказанного, на площадке ШГКМ и на трассе ММТ на участках с повышенным риском оползней целесообразно установить донные комплексы сейсмомониторинга, ориентированные на регистрацию микроземлетрясений с М2.

Оптимальным вариантом построения донной сети служат многокомпонентные ВОИС.

Они способны работать на всех глубинах в пределах Баренцевоморского шельфа в течение 20-30 лет, т.е. практически весь период активной отработки ШГКМ, обеспечивая регистрацию сверхслабых сейсмоакустических событий. Кроме мониторинга, донная сеть сейсмодатчиков может быть использована для построения 3 D разрезов с целью контроля напряженно-деформационного состояния пород в пределах месторождения, оперативно отслеживать изменения порового давления внутри пласта, контролируя эффективность его отдачи.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Рис. 1. Схема построения донной сейсмоакустической многокомпонентной сети на основе ВОИС Помимо высокочувствительного мониторинга на промплощадках, донные ВОИС могут быть применены в качестве системы контроля состояния ММТ в режиме реального времени. Линейно-распределенные ВОИС обладают значительными техническими, экономическими и экологическими преимуществами по сравнению с традиционными электрическими измерительными устройствами, применяемыми в настоящее время ОАО «Газпром» [Зубков]. В частности, длина измерительного устройства на основе ВОИС может достигать 300 км, что соизмеримо с протяженностью прибрежного, наиболее рискованного, отрезка Штокмановского ММТ. При организации виброакустической диагностики состояния ММТ с применением ВОИС следует учесть, что система действует в диапазоне частот двойного применения, что накладывает специальные требования на персонал, который будет привлекаться к этим работам в Баренцевоморском регионе.

К основным угрозам безопасности морских сооружений можно отнести следующие:

утечка продуктов, обусловленная физическим старением, износом и коррозией трубопроводов;

повреждение сооружений вследствие техногенных аварий, сейсмических воздействий, оползневых сдвигов почвы;

несанкционированные врезки с целью корыстных хищений нефти, нефтепродуктов или газа;

террористические акты, саботаж или другие криминогенные факторы.

Имеющиеся на сегодняшний день в РФ и в ОАО «Газпром» системы мониторинга состояния морского трубопровода и сооружений ШГКМ в режиме реального времени (рабочий режим) не обеспечивают необходимый уровень контроля в отношении указанных угроз, поэтому перспектива улучшить ситуацию за счет применения пространственно-распределенных ВОИС представляется весьма привлекательной.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Исходя из вышеизложенного считаем необходимым начать в районе Штокманского газоконденсатного месторождения реализацию специального проекта, направленного на развитие современных измерительных комплексов с применением нанотехнологий и на повышение экологической и промышленной безопасности при разработке и освоении ШГКМ. Осуществление проекта может способствовать повышению эффективности отработки месторождения.

Цель проекта: создание новой технологии и технических средств сейсмоакустических исследований нефтегазовых месторождений РФ в частотном диапазоне 0.2 Гц - 15 кГц с динамическим диапазон не менее 150 дБ. Количество сейсмоакустических каналов донной многокомпонентной системы составит 120- каналов, с возможность расширения системы на модульном принципе до 3000- каналов (рис. 1).

Основным результатом проекта станет создание в России конкурентоспособной морской сейсмоакустической измерительной системы для исследования и мониторинга нефтегазовых месторождений. Их использование позволит эффективно решать проблемы воспроизводства минерально-сырьевой базы, доосвоения вышедших из эксплуатации месторождений, разведки новых запасов и многое другое.

Перечисленные факторы определяют стратегическое значение проекта для Российской Федерации.

Список литературы:

1) Жеребцов В.Д. Морская геофизическая волоконно-оптическая измерительная система // Тр. конференции «Нефть и газ Арктического шельфа - 2004», С 2) Terry Knott. «Making light of seismic» // Oilonline, 3, 3) Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990, 312 с.

4) Коломиец Л.Н. Волоконно-оптические датчики в информационно измерительных системах. // Датчики и системы. №1, 2006, с.8-14.

5) Виноградов А.Н. и др. Сейсмичность Баренцевоморского шельфа и обеспечение геодинамического мониторинга при эксплуатации Штокмановского газоконденсатного месторождения // Материалы Международной конференции «Нефть и газ Арктического шельфа 2006», Мурманск, 15-17 ноября, 2006 г. изд.

Ассоциации «АрктикШельф», 2006. – С. 63-66.

6) Зубков А.И., Левин А.О. Волоконно-оптические датчики и системы в нефтяной отрасли. Современное состояние, перспективы развития.// Датчики и системы.

№7, 2004.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА Герасимова О.В., Янгазитов М.Н. (Мурманск, МГТУ, кафедра МСС и МНГД, ovger@mail.ru) Abstract. The problems of designing, building and maintenance of offshore pipelines in Russia are relevant. The designs of constructing of trunk pipelines must be given strict prove founded on special theoretical and experimental research. According to the method of finite elements used in ANSYS, the models of complicated construction subdivide into small easier formed parts (finite elements). Within the limits where approximate solution is fond. It is resulted in a field of stress and displacement in the whole construction.

В практике расчетов строительства морского трубопровода используют как аналитические, так и численные методы. Аналитические методы основаны на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких и ограниченных достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Cовременные средства проектирования и расчета морских трубопроводов базируются на компьютерном моделировании напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода во время его укладки на численных расчетах с использованием метода конечных элементов (МКЭ). В любом случае расчеты ведутся для приподнятой и провисающей части трубы находящейся в сложном напряженно деформированном состоянии, т.к. поверхность трубы подвержена одновременно изгибу и растяжению-сжатию.

Нормативная база для проектирования морских трубопроводов состоит из комплекса расчетных методик и системы требований, предъявляемых к процессам проектирования, строительства и последующей эксплуатации. Эти требования призваны обеспечить оптимальную конструкцию трубопровода при условии соблюдения всех имеющихся ограничений. Одним из главных вопросов проектирования любых трубопроводов является выбор толщины стенки, основывающийся на условиях обеспечения прочности и требуемого уровня безопасности. Прочностной расчет основан на классических методиках, принимающих в расчет параметры сопротивления трубы (наружный диаметр, овальность, минимальный предел текучести и т.д.) и определенную нагрузку (внутреннее и внешнее давление, продольное усилие, изгиб и т.д.) В настоящее время расчетным методом, дающим представление о напряженно деформированном состоянии провисшей части трубы является точное символьное решение. Эти символьные решения являются следствием решения краевых задач, поставленных и решаемых при помощи компьютера в среде Mathematica.

В мировой практике прокладки морского трубопровода используются два основных метода укладки трубы: S-метод и J-метод. Современные трубоукладочные суда, работающие по S-методу, получившему свое название по принимающему форму S-образной кривой участку трубопровода, находящемуся между точкой касания дна и стингером, Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" способны укладывать трубопроводы диаметром до 1420 мм на глубину до 300 м, а диаметром 810 мм — на глубину до 700 м со скоростью 3—5 км/сут.

Определение изгиба выгнутой и провисающей части подводного трубопровода под действием силы натяжения, гидронагрузки и собственного веса трубы в среде Mathematica основано на математическом решении специальной граничной задачи относительно кривых линий эластично провисающей трубы (судно-трубоукладчик находится на поверхности моря).

Основное статическое уравнение равновесия эластично провисающей части трубопровода под вышеперечисленными нагрузками:

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" В упрощенном виде граничная задача получена из этих уравнений и затем решена символьным методом.

В программе Mathematica произведен расчет морского трубопровода диаметром 0,61 м с толщиной стенки 0,0317 м и найдена форма прогиба трубы при S-методе укладки трубопровода [4] и построены графики изменения величин прогибов, изгибающих моментов и напряжений изгиба, которые наглядно представляют процессы деформирования провисающей части трубы:

График прогиба трубы График изгибающего момента График напряжения изгиба В следующем примере приведен расчет морского трубопровода диаметром 0,61 м с толщиной стенки 0,0317 м на глубине моря 100 м с применением программы Pipe (программа написана с использованием методических разработок института ВНИПИ-ШЕЛЬФ) Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Для получения формы трубы при укладке в программе Pipe решается уравнение d = H sin + ( R0 ps ) cos EI ds вывод которого приведен в [5], где:

EI – изгибная жесткоть трубопровода, рассчитывается из геометрических данных и параметров стали.

– угол наклона трубы H – горизонтальная составляющая усилия натяжения, принимается равной растягивающему усилию развиваемому трубоукладочным судном s – длина трубы от точки касания дна p – вес трубы на единицу длины. Сила Архимеда учитывается при расчете веса.

R0 – константа интегрирования.

Константа R0 должна быть подобрана. В процессе работы программы уравнение решается с разными значениями R0 до тех пор пока кривая не примет правильный вид на высоте до 500 м от дна. Т.к. ни глубина укладки ни длина трубы не фигурируют в уравнении, то в качестве результата выводится часть кривой от дна и до высоты над уровнем дна заданной во входных данных.

Т.к. точно определить константу R0 невозможно в силу неустойчивости, выводятся два результата – для верхнего приближения и для нижнего.

Напряжение материала трубы рассчитывается по формуле взятой из [6]:

M макс T = + W F где:

Mмакс – изгибающий момент в трубопроводе W – момент сопротивления поперечного сечения T – растягивающее усилие в трубопроводе F – площадь поперечного сечения трубы T рассчитывается из горизонтальной составляющей и угла наклона трубы:

H T= cos Стремление рассмотреть всё более близкие к действительности форму и условия работы конструкции и учесть реальные особенности деформирования материала требует дальнейшего совершенствования численных методов расчета.

Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки.

Иногда важно бывает знать эволюцию процесса деформирования или разрушения конструкции с продолжающимся во времени внешним воздействием. При этом естественны большие геометрические и физические нелинейности. В таких случаях обойтись без численных решений практически невозможно.

Использование современных систем автоматизированного инженерного анализа (Computer Aided Engineering – CAE) является на сегодня одним из наиболее эффективных способов оценки прочности, прогнозирования долговечности и оптимизации конструкций и технологических процессов их производства. Одной из наиболее эффективных CAE-систем является программа ANSYS. Это многофункциональный программный комплекс конечно-элементных расчетов, применяемых для проведения анализа в широкой области инженерных дисциплин – Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм.

При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить её сопротивление внешним воздействиям. Моделью называется система представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих исследуемый и рассчитываемый процесс или явление. Модель представляет собой отражение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления.

В данном докладе освещается методика работы с программой ANSYS на примере определения напряженно-деформированного состояния приподнятой и провисающей части трубы.

На стадии предварительной подготовки численного исследования прочности конструкции выполняется выбор типа расчета, строится твердотельная модель, задаются упругие постоянные и физико-маханические свойства материала, включая приложение нагрузок и граничные условия. На следующей стадии производится расчет. Результаты решения могут быть представлены как в графической, так и в текстовой форме.

В следующем примере приведен расчет морского трубопровода диаметром 0, м с толщиной стенки 0,0317 м при укладке его на глубине моря 100 м с применением программы ANSYS:

Шкала перемещений:

Шкала напряжений по фон Мизесу Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Список литературы:

1) К.А. Басов, ANSYS: справочник пользователя, Басов К.А. – М.: ДМК Пресс, 2005.- 640с., ил 2) Ю. А. Горяинов Морские трубопроводы, Горяинов Ю.А., Федоров А.С., Васильев Г.Г. и др. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001.- 131 с.

3) А.Б. Каплун ANSYS в руках инженера: практическое руководство, А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. 272 с.

4) А.Н. Папуша, Проектирование морского подводного трубопровода: расчет на прочность, изгиб и устойчивость морского трубопровода в среде Mathematica, Папуша А.Н.-М: РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006.- 328с., ил 5) П.П. Бородавкин, В.Л. Березин, О.Б. Шадрин. Подводные трубопроводы.

6) Р125-72 Рекомендации по технологии прокладки морских трубопроводов.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММ ANSYS И COSMOS ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О РАСЧЕТЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРУБЕ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ Джамалова Э.Б. (Мурманск, МГТУ, кафедра МСС и МНГД);

Янгазитов М.Н. (Мурманск, МГТУ, Н-451) Abstract. A computer programs based on ANSYS, and COSMOS is applied to solve a few problems of calculation of temperature stress in casing pipe.

Система CAE (Computer Aided Engineering) предназначена для всестороннего исследования механических, температурных и других свойств исследуемого объекта, теоретической основой которой является метод конечных элементов (МКЭ).

Первые разработки МКЭ были выполнены в 50-х годах для решения задач сопротивления материалов. Существенно область применения МКЭ расширилась в 1968г., когда было показано, что уравнения, определяющие элементы, могут быть легко получены с помощью метода взвешенных невязок. Начиная с 1970г., благодаря работам Зинкевича, Галлагера, Одена, Лиона, Равьяра, Сильвестера, этот метод становится все более популярным среди инженеров всех специальностей. В настоящее время разработаны сотни программных комплексов, в которых реализован метод конечных элементов (ABAQUS, ANSYS, ADAMS, DesignSpace, COSMOS, LS-DYNA, NASTRAN и т.д.).

Целью настоящей работы является определение с помощью компьютерных программ ANSYS и COSMOS температурных напряжений, возникающих вследствие разности температурных градиентов на внутренней и наружной поверхности трубы обсадной колонны.

В работе выполнен расчет тонкостенного цилиндра с температурой на внутренней поверхности плюс 10 °С и на наружной – минус 42 °С с целью определения температурных напряжений с помощью компьютерных комплексов ANSYS и COSMOS.

При моделировании в среде ANSYS рассматривается половина цилиндра при условии плоской деформации, а в COSMOS создается цилиндрическая оболочка (рис. 1).

а б Рис. 1. Постановка задачи: а - ANSYS;

б – COSMOS Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Проведение расчетов в средах комплексов ANSYS и COSMOS проводится в три этапа. На первом этапе задаются необходимые для решения задачи исходные данные (тип элемента, константы и физические характеристики материала), а также осуществляется построение конечно-элементной модели. На втором этапе выбирается тип анализа, задаются нагрузки и ограничения и осуществляется запуск на выполнение. Третий этап служит для просмотра и обработки результатов решения задачи.

Для определения температурного напряжения в компьютерной среде ANSYS применялись два метода решения поставленной задачи. Первый метод основан на задание температурной нагрузки с помощью цикла [5]:

*DO,i,1,node_1,1 ! Организация цикла xr = NX(i) ! Запрос X-координаты узла tr = ta + (tb – ta)*LOG(xr/r1)/LOG(r2/r1) ! Уравнение радиального распределения температуры. Здесь tr, xr - текущая температура и радиус цилиндра;

ta, tb температура на внутренней и наружной поверхности трубы;

r1, r2 - внутренний и наружный радиус трубы BF,i,TEMP,tr ! Приложение температуры tr на узел i *ENDDO ! Завершение цикла Технология проведения рассчетного анализа по первой методике в компьютерном комплексе ANSYS представлена на рисунке 2.

2. Построение расчетной сетки и задание ограничений и температурной нагрузки 1. Построение геометрической модели. 3. Расчет задачи.

4. Просмотр результатов.

Рис. 2. Технология проведения расчетного анализа в ANSYS по первому методу.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" Второй метод определения температурных напряжений основан на решении квазистатической задачи. Вначале решается температурная задача, а затем по найденному температурному полю определяется напряженно-деформированное состояние трубы обсадной колонны (рис. 3).

2. Расчет задачи.

1. Построение 3. Задание температурного геометрической модели, поля и ограничений.

расчетной сетки и задание температурной нагрузки.

4. Расчет задачи 5. Просмотр результатов.

Рис. 3. Технология проведения квазистатического анализа в ANSYS Таким образом, интенсивность распределения напряжений по двум методикам в пакете программ ANSYS дает одинаковые результаты, поэтому для определения температурных напряжений можно использовать одну из методик.

Технология проведения расчетного анализа указанных напряжений в программном комплексе COSMOS представлена на рисунке 4.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" 2. Построение расчетной сетки и задание ограничений и температурной нагрузки 1. Построение геометрической модели, расчетной сетки и задание температурной нагрузки. 3. Расчет задачи.

4. Просмотр результатов.

Рис. 4. Технология проведения расчетного анализа в COSMOS Таким образом, проведение расчета температурных напряжений в представленных программных пакетах выявило, что максимальные эквивалентные напряжения возникающие в обсадной трубе, в среде ANSYS составило 61,5 МПа, а в COSMOS – 192,8 МПа.

Сравнивая полученные результаты интенсивности распределения напряжений с работой «Термоупругие задачи устойчивости обсадных труб в ММП» (Джамалова Э.Б., Янгазитов М.Н.), можно сделать следующий вывод: программа ANSYS дает низкие результаты, Mathematica (140 МПа) – средние, а COSMOS – завышенные.

Литература:

1. Алямовский А.А. SolidWorks/CosmosWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 432 с.

2. Басов К. А. Ansys для конструкторов. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 248 с.

3. Басов К. А. Ansys: Справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с.

4. Каплун А. Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. Ansys в руках инженера:

Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

5. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. Ansys в руках инженера:

Механика разрушения. – М.: ЛЕНАНД, 2008. – 456 с.

6. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк. А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ.

Пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

7. About ANSYS 9.0 Documentation.

Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" ОЦЕНКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ Джамалова Э.Б., Янгазитов М.Н. (Мурманск, МГТУ, кафедра МСС и МНГД) Abstract. Stability of the casing string in permafrost soil. The purpose of our work is to find tensely-deformed condition of casing influenced by different external loads and geometry of pipe cross-section, and also critical pressure, when the pipe loses its stability.

1. Параграф Вопросу устойчивости обсадных труб подверженных наружному давлению посвящено множество работ. Наиболее известные исследования Антипова В.И. (1988), Булатова А.И. (1988), Еремеева Ю.А., Леонова Е.Г., Филатова Б.С. (1974), Узумова И.Г., Узумова Э.И. (1969).

При строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин наблюдаются случаи нарушения целостности обсадных колонн, спущенных в многолетнемерзлых породах, в результате действия внешних сминающих давлений. Поэтому вопрос устойчивости обсадных колонн, в частности, с начальными несовершенствами, по прежнему, является актуальным.

Теме устойчивости обсадных труб, подверженных наружному давлению, посвящено много работ [2-5], однако ряд вопросов остались неисследованными и требуют поиска новых методов решения поставленной задачи.

Целью настоящей работы является определение напряженно-деформированного состояния обсадной колонны при различных внешних нагрузках и геометрии поперечного сечения трубы, а также критического давления, при котором труба теряет устойчивость.

Рассмотрим обсадную колону с геометрическими несовершенствами формы трубы и ее разностенности. При растеплении многолетних мерзлых пород возникает сминающее давление. Определим напряженно-деформированное состояние обсадной колонны с помощью современных компьютерных программ Mathematica и ANSYS. Для решения данной задачи использовали уравнение равновесия технической теории оболочек (1) и граничные условия (2):

d 2w Ds 2 + w = M R 2 (1) d Y h – цилиндрическая жесткость трубы;

Y, – модуль продольной где Ds = 12(1 2 ) упругости и коэффициент Пуассона материала трубы;

h = h( ) – текущая толщина стенки трубы.

1 u1 ( R1 ) + (1 + 2 µ1 )u1 '( R1 ) = R 2 u2 ( R3 ) + (2 + 2 µ2 )u2 '( R3 ) = 0 (2) R u1 ( R2 ) = u2 ( R2 ) u2 ( R3 ) = Секция "Физические процессы шельфовых нефтегазовых производств и технологий" где ui ( Ri ) – радиальное смещение;

– эффективные постоянные системы;

µ – модуль объемного сдвига твердой фазы.



Pages:     | 1 |   ...   | 36 | 37 || 39 |
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.