Document
Modeling and simulation of dynamics of stick-slip phenomenon in tube expansion
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2011
Language
English
Subject
English abstract
Tube expansion is attained by pushing or pulling a mandrel to permanently enlarge its inner diameter. During this permanent deformation process, the system experiences large friction forces at mandrel/tubular interface. The mandrel ceases to move because of large friction and again moves at higher velocity once the applied force exceeds the friction force. This sticking and slipping of mandrel during expansion is termed as stick-slip and results in unexpected changes in tubular length and thickness after expansion. In addition, the expansion force fluctuates considerably to overcome undesirable sticking. A mathematical model was developed to study the dynamics of a stick-slip phenomenon in tube expansion. Three different sets of equation; one each for slip, stick and the transition phases were derived using equilibrium equations, incompressibility condition and Karnopp's friction model. A zero velocity interval was used to define slip, stick and transition phases. A MATLAB program was written to obtain analytical solution using developed governing equations. Further to this, finite element simulation was done using ABAQUS software. Two separate user-defined subroutines were written in FORTRAN to incorporate newly developed stick-slip model. Comparison between experimental, analytical and simulation results showed good agreement for various parameters such as expansion force, thickness reduction and length shortening. The proposed model was able to mimic the stick-slip behavior observed during experimental study. The fluctuation in the displacement-time plot clearly showed sticking of mandrel. Subsequent slipping resulted in large thickness reduction which will reduce the structural integrity of the tube during its service life. Sensitivity analysis showed that the mandrel velocity, friction coefficient, mandrel geometry, and expansion ratio affect the thickness reduction and expansion force required for tube expansion. A careful selection of these parameters is important for enhanced performance of expandable tubular during its service life
Description
Thesis
Member of
Resource URL
Arabic abstract
تتحقق عملية تمديد الأنابيب من خلال دفع او سحب جسم مغزلي الشكل (mandrel) لتوسيع القطر الداخلي للأنبوب بشكل دائم، حيث يتعرض النظام خلال هذه العملية القوى احتكاك عالية في السطح البيني لكل من الأنبوب والجسم المغزلي مما يفضي إلى زيادة في القوى اللازمة لإتمام عملية التمديد. كذلك تؤدي هذه القوى إلى زيادة في تناقص الطول، بالإضافة إلى زيادة في تغير السمك على طول الأنبوب. ومن المعروف على نحو نموذجي ان معامل الاحتكاك السكوني بين السطحين المتلامسين يكون أعلى من معامل الاحتكاك الحركي وإذا ما كانت القوى المطبقة على الجسم كبيرة إلى حد كافي للتغلب على قوى الاحتكاك السكوني فإن الانخفاض في قوى الاحتكاك إلى المستوى الحركي يمكن أن يتسبب في حدوث قفزه مفاجئه في سرعة تحرك احد الأجسام بالنسبة للأخر مما يؤدي إلى نشوء ظاهرة تعرف بظاهرة الالتصاق والانزلاق وبهدف دراسة ظاهرة الالتصاق والانزلاق في عملية تمديد الأنابيب فقد تم تطوير نموذج رياضي لدراسة ديناميكية هذه الظاهرة. حيث يتكون النموذج من ثلاث مجموعات من المعادلات الرياضية، تمثل المجموعة الأولى مرحلة الالتصاق فيما تمثل الثانية مرحلة الانزلاق وأخيرا الثالثة و تمثل مرحلة التحول من الالتصاق إلى الانزلاق. وقد تم استنتاج هذا النموذج الرياضي باستخدام معادلات التوازن وحالات عدم الانضغاط بالإضافة إلى نموذج کارنوب. ولتحديد لحظة وقوع كل مرحلة من مراحل هذه الظاهرة فقد تم تحديد نطاق يعرف بنطاق السرعة صفر والذي يتم من خلاله تحديد المرحلة التي يمر خلالها الجسم. كما تم تطوير نموذج عندي باستخدام طريقة العنصر المحدود (finite element method) بهدف التنبؤ وقياس حدوث هذه الظاهرة الغير مرغوبة.. حيث تم بناء النموذج باستخدام برنامج ABAQUS وذلك من خلال الوظائف الفرعية المعرفة من قبل المستخدم ( user - defined subroutines) والتي استخدمت لتعريف سلوك الاحتكاك على السطح البيني لكل من الأنبوب والجسم المغزلي بهدف محاكاة السلوك الواقعي لظاهرة الالتصاق والانزلاق. وقد اجريت مقارنة بين كلا من التهجين التحليلي والعددي مع بيانات تجريبية بهدف التحقق من هذه النماذج. وقد أظهرت النتائج مقدرة النماذج المقترحة على محاكاة سلوك ظاهرة الالتصاق والانزلاق التي لوحظت خلال الدراسة التجريبية. كذلك أظهرت النتائج مقدرة النموذجين من التنيو بتاثير هذه الظاهرة على تفاوت انخفاض السمك على طول الأنبوب. إضافة إلى ذلك فإن النمونجين قادران على التنبؤ بمقدار التغير في طول الأنبوب فضلا عن مقدرتهما على التنبؤ بالزيادة في القوة المتطلبة للتمديد نظرا الالتصاق الجسم المغزلي وانزلاقه بالنسبة للأنبوب المراد تمديده. كما أن التذبذب في منحني الإزاحة و الوقت ساهم بشكل واضح في تحديد الأوقات التي يحصل عندها التصاق الجسم المغزلي بالأنبوب. وقد أوضحت النتائج بان مرحلة الانزلاق اللاحقة قد أدت إلى حدوث نقص اكبر في السمك بالمقارنة مع المرحلة السابقة. وأظهرت نتائج تحليل الحساسية (sensitivity analysis) بأن سرعة الجسم المغزلي، ومعامل الاحتكاك بين السطحين، والتكوين الهيكلي للجسم المغزلي، بالإضافة إلى نسبة التمديد للانبوب هي من ابرز العوامل التي من الممكن أن تساهم في تقليل التباين في سمك الأنبوب بعد التمديد فضلا عن مقدرتها على خفض القوة اللازمة لتمديد الأنبوب.
Category
Theses and Dissertations