Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/13784
Type: Dissertação
Title: Modeling, validation and parametric analysis of the axial dynamics of a vibration-assisted drilling tool
Other Titles: Modelagem, validação e análise paramétrica da dinâmica axial de uma ferramenta de perfuração assistida de vibração
Author(s)/Inventor(s): d’Almeida, Eduardo Ferreira Vieira
Advisor: Ritto, Thiago Gamboa
Abstract: Um modelo de vibro-impacto de parâmetros concentrados é desenvolvido para descrever a dinâmica axial de um protótipo de ferramenta de perfuração assistida por vibração, a qual foi desenvolvida para melhorar a eficiência de perfuração em formações duras. O modelo proposto possui sete graus de liberdade com quatro superfícies de impacto. Dados de campo adquiridos em alta frequência, os quais foram medidos em múltiplos locais da ferramenta, são utilizados para validar o modelo matemático. Uma análise paramétrica é realizada para investigar a influência que certos parâmetros de projeto têm sobre comportamento dinâmico do sistema. Além disso, uma métrica é proposta para avaliar a eficiência do processo de perfuração, e indicar modificações de projeto da ferramenta de vibro-impacto original. Os resultados mostram uma correspondência satisfatória entre dados de campo e saídas de modelo, visto que o modelo de vibro-impacto é capaz de capturar e reproduzir o comportamento dinâmico da ferramenta de perfuração assistida por vibração. Além disso, o modelo proposto é capaz de reproduzir um comportamento dinâmico complexo com pouco custo computacional devido ao baixo número de graus de liberdade. Os resultados da análise paramétrica revelam a possibilidade de aumento de 85% na transferência da força de impacto e 125% de aumento na faixa de operação, quando comparados com o projeto original.
Abstract: The purposes of this work are: to develop a mathematical model that represents the axial dynamics of a vibration-assisted drilling tool, to validate the proposed mathematical model with field data, and to analyze the axial nonlinear dynamics of a vibro-impact system used as a drilling tool. A lumped-parameter vibro-impact model is presented to describe the axial dynamics of a prototype vibration-assisted drilling tool developed to improve the drilling efficiency in hard-rock formations. The proposed model has seven degrees of freedom with four impact surfaces. Field data from high-frequency acquisition, measured at multiple locations, is used to validate the mathematical model. A parametric analysis investigates the effect that some design parameters have on the dynamic behavior of the system. Furthermore, a measure is proposed to evaluate the efficiency of the process, and used for design modifications of the current vibro-impact system. The results show an overall reasonable match between field data and model outputs because the vibro-impact model is capable of reproducing the main dynamic behavior of the vibrationassisted drilling tool. Furthermore, the proposed model is able to reproduce complex dynamic behavior with little computational cost due to the small number of degrees of freedom. The results from the parametric analysis reveal the possibility of 85% increase in the impact force transfer and 125% increase in the mud flow operating range, when compared with the original design.
Keywords: Sistema de parâmetros concentrados
Modelo de validação
Dinâmica não linear
Perfuração assistida por vibração
Vibro-impacto
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Jul-2019
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Engenharia Mecânica

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