Vasyl Mykhailiuk

The object of research is coupled longitudinal-torsional vibrations of the drill string in a vertical well during the circulation of the drilling fluid. The research is aimed at taking into account the distributed mechanical and hydrodynamic coupling, which is not described only by the conditions on the bit. Based on the Green-Lagrange tensor, the third-order Murnaghan potential and Hamilton's principle, nonlinear equations of motion of the section and conditions for combining sections were obtained. The geometric and material nonlinear terms of the second order were preserved in the equations. Hydrodynamic loads were determined for laminar axisymmetric quasi-stationary Herschel-Bulkley fluid flow in a concentric annular space. The numerical implementation was created using Python and Modelica using the method of lines and two-dimensional interpolation of previously calculated loads. For a two-section string 654 m long, calculations were performed with axial excitation of 6 mm amplitude at frequencies of 5 and 50 Hz. At 5 Hz in a section at a distance of 353 m from the lower end of the string, the root mean square deviation of the angular velocity for the model with a linearized mechanical part and preserved hydrodynamic coupling was 91.4% of the result of the full model, and for the mechanically nonlinear variant without cross-hydrodynamic coupling – 29.3%. At 50 Hz, the results of the full model and the variant without cross-hydrodynamic coupling were close, while the linearization of the mechanical part reduced the torsional response. At 5 Hz, the maximum root mean square deviation of the angular velocity along the string without hydrodynamic loads was about 31% of the maximum for the Herschel-Bulkley fluid. Therefore, the influence of coupling mechanisms depends on the excitation mode. The model creates a computational basis for evaluating the accompanying torsional vibrations and internal dynamic forces when choosing the parameters of the axial excitation of the string.

Lifting structures are critical components in the automotive industry, yet their excessive weight and bulk often impede mobility and ease of use. This paper presents a comprehensive study on the structural optimization of a scissor lift, focusing on the topological redesign of its lever. The primary objective is to achieve significant mass reduction while preserving structural integrity, load-bearing capacity, and safety. The core hypothesis is that strategic topological modifications can induce favorable stress redistribution, leading to material savings without compromising safety margins. The research methodology, implemented in the spring of 2024, was based on numerical modeling using the Finite Element Method (FEM) in Ansys Workbench. Numerical analysis of the base lever identified a maximum equivalent stress of 152 MPa, corresponding to a safety factor of 2.27. The proposed optimizations yielded a new lever topology that reduces the component’s mass by 39% (to 35 kg) while maintaining a high safety factor of 1.52 under a maximum stress of 226.5 MPa. The results confirm that the proposed design approach successfully enhances the lift’s performance-to-weight ratio, offering a viable solution for developing more efficient and portable automotive lifting equipment.

Сучасна енергетика та промисловість, що генерують значні викиди парникових газів (зокрема СО2) унаслідок спалювання викопного палива та хімічних процесів, стикаються з проблемою глобального потепління та зміни клімату. Натомість стратегія низьковуглецевого розвитку передбачає зменшення викидів, перехід на відновлювані джерела енергії та використання технологій уловлювання та зберігання СО2.Ця стратегія передбачає відокремлення СО2 від промислових газів (хімічною абсорбцією, адсорбцією, мембранним поділом, кріогенним охолодженням) та його закачування у глибокі геологічні формації для стабільного довготривалого зберігання. Закачаний СО2 може також використовуватися для підвищення нафтовилучення шляхом збільшення тиску у пласті.Крім того, для вирішення проблеми високої вартості та складності існуючих методів уловлювання СО2 та інших парникових газів (як-от пари води), які відіграють найбільшу роль у парниковому ефекті, пропонується новий спосіб видалення води та шкідливих домішок з димових газів підприємств переробки мінеральної сировини. Цей метод ґрунтується на охолодженні димових газів за допомогою багатосоплового пристрою (який використовує сопла Лаваля для розгону потоку), конденсації водяної пари й уловлюванні конденсату сепараторами. Сопло Лаваля забезпечує інтенсивне охолодження газу за рахунок ефекту Джоуля-Томсона при розширенні.В роботі представлено тривимірну конструкцію багатосоплового пристрою, проведено її імітаційне моделювання (з урахуванням складу димового газу, що включає азот – 28 %; воду – 11 %; вуглекислий газ – 22 %; кисень – 9 %; повітря – 30 %, та оптимізацією сітки скінченних елементів) та експериментальні випробування на димовому газі підприємств переробки. Установка охолодження складається із соплового охолоджувача, буферної камери та сепараторів.Моделювання й експерименти підтвердили здатність пристрою знижувати температуру газового потоку (з 120 °С до 70 °С за моделюванням та з 115 °С до 72 °С за експериментами), демонструючи при цьому двоступеневе охолодження. Розбіжність між результатами моделювання й експериментами є незначною. Результати дослідження вказують на доцільність подальшої оптимізації конструкції для підвищення її ефективності, зокрема, для зменшення нагрівання газової суміші після першої стадії охолодження. Пропонований спосіб дозволяє мінімізувати енерговитрати, зменшити габарити та спростити конструкцію обладнання.

Vibration loads during deep drilling are one of the main causes of reduced service life of drilling tools and emergency failure of downhole motors. This work investigates the adaptive operation of an original elastic element based on an open cylindrical shell used as part of a drilling shock absorber. The vibration protection device contains an adjustable radial clearance between the load-bearing shell and the rigid housing, which provides the effect of structural nonlinearity. This allows effective combination of two operating modes of the drilling shock absorber: normal mode, when the clearance does not close and the elastic element operates with increased compliance; and emergency mode, when the clearance closes and gradual load redistribution and increase in device stiffness occur. A nonconservative problem concerning the contact interaction of an elastic filler with a coaxially installed shaft and an open shell is formulated, and as the load increases, contact between the shell and the housing, installed with a radial clearance, is taken into account. Numerical finite element modeling is performed considering dry friction in contact pairs. The distributions of radial displacements, contact stresses, and equivalent stresses are examined, and deformation diagrams are presented for two loading modes. The influence of different cycle asymmetry coefficients on the formation of hysteresis loops and energy dissipation is analyzed. It is shown that with increasing load, clearance closure begins from local sectors and gradually covers almost the entire outer surface of the shell. This results in deconcentration of contact pressure between the shell and housing and reduction of peak concentrations of equivalent stresses in the open shell. The results confirm the effectiveness of the adaptive approach to designing shell shock absorbers capable of reliably withstanding emergency overloads, which is important for deep drilling where the exact range of external impacts is difficult to predict.

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, Prace Naukowe Instytutu Matematyki i Informatyki, Politechnika Częstochowska, Scientific Research of the Institute of Mathematics and Computer Science, Czestochowa University of Technology

Friction dampers based on the effects of dry friction are attractive to engineers because of their simple design, low manufacturing and maintenance costs, and high efficiency under heavy loads. This study proposes a new damper design based on an open shell with a deformable filler, with the shell cut along a cylindrical helical line. The key idea in developing the design was to use the bending effect of the shell in contact with the weakly compressible filler. Another idea was to use the frictional interaction between the filler and the open shell to obtain the required damping characteristics. The working hypothesis of this study was that, ceteris paribus, a change in the configuration of the shell cut would cause a change in the stiffness of the structure. To analyse the performance characteristics of the proposed damper and test the hypothesis put forward, a numerical model of the shell damper was built, and a boundary value problem was formulated and solved for the frictional interaction between the shell cut along the helical line and the weakly compressible filler, taking into account the dry friction forces between them. As a result, the strength, stiffness, and damping properties of the developed damper were investigated, and a comparative analysis of the new design with the prototype was carried out. It is predicted that the proposed friction damper will be used in the energy and construction industries, in particular in drilling shock absorbers for the oil and geothermal industries, as well as in earthquake-resistant structures.

Оффициальный сайт сборника научных трудов "Геотехническая механика", ИГТМ НАН Украины Official site Collected Scientific Papers “Geo-Technical Mechanics” (the Journal) is issued by the M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Science of Ukraine.

Димові гази, що продукуються цементними заводами під час виробництва цементу, негативно впливають на навколишнє середовище. У димових газах, окрім пилу та твердих частинок, також містяться пари води, вуглекислий газ, закис азоту, метан, озон, гексафторид сірки та інші сполуки, які відносяться до парникових газів. На даний час однією з найпоширеніших та основних технологій для зменшення вуглецевого сліду цементної промисловості є технологія уловлювання, зберігання та утилізації вуглецю. Окрім уловлювання викидів вуглекислого газу, ця технологія також допомагає зменшити вплив виробництва цементу на навколишнє середовище шляхом контролю викидів летких органічних сполук, пилу та твердих часток. Впроваджуючи нові технології, удосконалюючи методи виробництва та використовуючи альтернативні варіанти, цементна галузь може зменшити викиди і мінімізувати негативні наслідки для навколишнього середовища. Оскільки пари води є одним із парникових газів, що у результаті призводить до глобального потепління, то її конденсація та вилучення з цих димових газів є актуальним завданням. Для вилучення із димових газів цементних виробництв водяної пари пропонується охолоджувати димові гази до температури конденсації із подальшим вилученням із них краплинної рідини. Найменш затратним способом димовий газ можна охолодити за допомогою пристрою на основі сопла Лаваля, у якому він рухається із надзвуковою швидкістю, а відокремити конденсат пари – з допомогою сепараційного обладнання (сепараторів). Для цього у даній роботі наведено розроблену функціональну схему установки для виділення рідини і механічних частинок з газового потоку. Відображено будову та описано принцип дії розробленого сепаратора. На розробленій тривимірній моделі сепаратора проведено імітаційні моделювання його роботи з врахуванням як складу газової суміші, так і її витрати, тиску та температури. За результатами імітаційного моделювання встановлено, що 98% рідини сепарується із газорідинної суміші розробленим сепаратором. Проведено експериментальні дослідження виготовленого сепаратора, який було підключено до джерела димових газів цементного виробництва після їх охолодження з допомогою багатосоплового пристрою (сопел Лаваля). У результаті встановлено, що результати імітаційного моделювання та експериментальних досліджень мають незначну розбіжність.