Document
Experimental investigation and constitutive modeling of expandable tubular materials at multi levels of materials and mechanics
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2016
Language
English
Subject
English abstract
A new multiscale model is presented for the first time to perform the slip, slip-twin induced plasticity phenomenon in low-C expandable tubular steel, with distinct amount of Mn, Si and other impurities, using finite element method. An elastic-plastic deformation of expandable steel is modeled using crystal plasticity theory by considering slip only, and combined slip and twin deformation modes. Effects of grains orientation, slip and twin deformation mechanism, work hardening, and number, distribution and relative volume fraction of different phases present in expandable tubular steel are taken into consideration in the developed model. The inclusion of different phases, either single or multiple, is made possible through a simple homogenization technique. The upper scale finite element model consists of different representarive volume elelemnts (RVE) representing different single or combined phases. Each RVE is composed of 500 to 7000 crystals. Averaging the behavior of entire RVEs in the finite element model allowed to bridge the gap between single crystal and actual specimen behavior. Numerical implementation is done through user defined subroutines in commercial finite element analysis software, ABAQUS. Simulations are done for single/polycrystal as well as single and multiple phases present in expandable tubular. Results are validated through published experimental and numerical data. The effect of grain orientation, and loading condition on stress-strain behavior, slip and twin systems activity, and overall specimen behavior such as wall and length reductions and expansion forces are investigated. Further to substantiate the theoretical understanding of expandable tubular, an analytical model is developed, whose results agree very well with available experimental and finite element results. Various studies are done to extract useful data needed for various elements of this research work as well as to gain useful insight into the material behavior. These mechanical strength and microscopic studies include strength properties, compositional analysis, crystallographic orientations, grain sizes and morphology, distribution of phases, and ductile-to-brittle transition. The results showed that the current tubular material experiences severe degradation in load bearing capacity after expansion, which restricts its expansion limit to 15 18% in order to have adequate safety margin for down-hole application. A comparative study with commercially available similar type of steel showed that twin based steel have a promising future for expandable application, which constitutes major contribution of this research work as stated before.
Description
Thesis
Member of
Resource URL
Arabic abstract
تهدف هذه الدراسة إلى تطوير نموذج متعدد النطاقات ( multi - scale model) بإستخدام طريقة العنصر المحدود (finite element method) وذلك لدراسة خاصيتي الانزلاق (slip) و التوأمة (twin) اللتين تعملان على تعزيز خاصية اللدونة في مواد الأنابيب القابلة للتمدد ذات النسبة المنخفضة من الكربون مع وجود كميات متفاوته من المنغنيز والسيليكون وغيرها من العناصر. وعليه فقد تم تطوير نموذج لدراسة عملية التشكيل في هذا النوع من الأنابيب باستخدام نظرية لدونة الكريستال (crystal plasticity theory) حيث تم الأخذ بعين الاعتبار كلا من خاصيتي الانزلاق (slip) و التوأمة (twin) بالاضافة إلى تأثير إتجاه الكريستالات ، وعدد وتوزيع ونسبة الأطوار المختلفة الموجودة في هذا النوع من المواد. إدراج الأطوار المختلفة في النموذج المطور - سواءا منفردة أو مجتمعة . تم من خلال استخدام تقنية تجانس (homogenization) مبسطة. ويتكون النطاق العلوي ( macro - scale ) في نموذج العنصر المحدود المطور من عدد من عناصر الحجم التمثيلي ( representative volume elements) ، حيث يتألف كل عنصر حجم تمثيلي من 500-7000 من الكريستالات. وبحساب المتوسط السلوك هذه العناصر التمثيلية في نموذج العنصر المحدود فقد كان بالامكان ردم الهوة او ربط العلاقة بين سلوك الكريستال وسلوك العينة الفعلي. وقد تم تنفيذ هذا النموذج من خلال الوظائف الفرعية التي يحددها المستخدم في برنامج تحليل العنصر المحدود المعروف ب ABAQUS. وبإستخدام هذا النموذج فقد تم محاكاة عدة حالات تتضمن اطوار مختلفة حيث تم التحقق من صحة النتائج من خلال البيانات التجريبية والعددية التي تم استخدمها من الأدب المنشور او تلك التي تم إجراءها محلية في نطاق هذه الدراسة ، كما تم دراسة تأثير اتجاه الكريستالات ، وتأثير حالة التحميل على سلوك الإجهاد والانفعال ونشاط خاصيتي الإنزلاق و التوأمة وعلاوة على ذلك ولإثبات الفهم النظري لعملية تمديد الأنابيب فقد تم تطوير نموذج تحليلي الذي أظهرت نتائجه توافقا جيدا مع النتائج التجريبية و نتائج نموذج العنصر المحدود المتوافرة. ومن خلال هذا النموذج التحليلي فقد تم اجراء العديد من الدراسات المختلفة لاستخراج البيانات المفيدة اللازمة لمختلف عناصر هذا العمل البحثي وكذلك لاكتساب المعرفة المفيدة في سلوك المادة. كما تم إجراء العديد من الدراسات الميكانيكية و المجهرية حول خصائص المادة والتي اشتملت على خصائص القوة ، والتحليل التركيبي ، وإتجاه البلورات وأحجامها ، وتوزيع اطوار المادة ، وغيرها. وقد أظهرت نتائج هذه التجارب أن مواد الأنابيب الحالية تعاني من تدهور حاد في قدرة التحمل بعد عملية التمديد الأمر الذي يحد من نسبة توسعها إلى 15-18٪ من حجم الانبوب الاصلي وذلك من أجل خلق هامش للسلامة يكون كاف للتطبيقات المستهدفة في باطن الأرض. كما أظهرت الدراسة بأن المادة التي تعتمد على خاصية التوأمة هي اكثر قدرة على تحقيق نسب تمدد أعلى الأمر الذي يجعل منها كأحد أبرز البدائل التي قد يكون لها مستقبل واعد التطبيق في هذا المجال.
Category
Theses and Dissertations