超高壓泵頭體自增強(qiáng)后的殘余應(yīng)力與疲勞壽命研究.pdf

1、隨著非常規(guī)油氣資源成為新的能源開(kāi)發(fā)方向，水力壓裂技術(shù)對(duì)壓裂機(jī)組提出了超高壓、大排量和長(zhǎng)壽命的更高性能要求。泵頭體的十字交叉孔內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在脈動(dòng)循環(huán)的超高內(nèi)壓作用下疲勞壽命低，容易導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂。自增強(qiáng)技術(shù)是一種利用殘余應(yīng)力來(lái)提高壓力容器承載能力和疲勞壽命的有效手段。對(duì)泵頭體實(shí)施液壓自增強(qiáng)處理，能夠使泵頭體內(nèi)腔產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力，從而使泵頭體的承壓能力和疲勞壽命都得到大幅度提高。因此，研究超高壓泵頭體自增強(qiáng)后的殘余應(yīng)力與疲勞壽命，具有十分

2、重要的意義。
　　論文以3000型壓裂泵的泵頭體為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)發(fā)和運(yùn)用混合硬化彈塑性本構(gòu)UMAT，獲得準(zhǔn)確的泵頭體自增強(qiáng)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布情況;基于多軸疲勞臨界面理論，分析出了該泵頭體的最佳自增強(qiáng)壓力;然后通過(guò)理論分析和類比試驗(yàn)，對(duì)自增強(qiáng)處理后的疲勞壽命提高效果進(jìn)行了定量評(píng)價(jià);最后從裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩方面，研究了自增強(qiáng)殘余應(yīng)力對(duì)泵頭體疲勞裂紋的影響。論文所做的主要工作如下:
　　(1)基于混合硬化本構(gòu)模型的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力分

3、析
　　混合硬化法則與金屬材料的實(shí)際硬化行為更為接近，適合用于模擬具有反向加載的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力分析。將背應(yīng)力更新算法、應(yīng)力補(bǔ)償更新算法和一致性剛度矩陣更新算法，運(yùn)用于混合硬化彈塑性本構(gòu)UMAT開(kāi)發(fā)。通過(guò)可靠性驗(yàn)證和拉伸試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，混合硬化UMAT能很好地模擬出材料的應(yīng)變硬化和包辛格效應(yīng)，計(jì)算精度高，適合用于泵頭體自增強(qiáng)殘余應(yīng)力場(chǎng)的精確分析。
　　(2)泵頭體最佳自增強(qiáng)壓力研究
　　通過(guò)泵頭體工程應(yīng)用失效分析和

4、極限工況應(yīng)力分析，確定泵頭體的失效模式屬于多軸應(yīng)力下的高周疲勞。以塑性應(yīng)變量作為判據(jù)，在泵頭體不發(fā)生反向屈服的前提下，求得以靜強(qiáng)度最大為標(biāo)準(zhǔn)的泵頭體最佳自增強(qiáng)壓力;考慮泵頭體多軸疲勞臨界面和殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，提出一種以應(yīng)力集中點(diǎn)多軸疲勞壽命最長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的最佳自增強(qiáng)壓力確定新方法。經(jīng)過(guò)最佳自增強(qiáng)壓力處理后，泵頭體內(nèi)腔等效應(yīng)力峰值明顯下降、應(yīng)力分布更加均勻。
　　(3)自增強(qiáng)泵頭體疲勞壽命分析與試驗(yàn)研究
　　基于應(yīng)力疲勞分

5、析理論，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得泵頭體材料的S-N曲線，用最大似然估計(jì)法得到置信度為99.9％的P-S-N曲線。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了含缺口圓環(huán)來(lái)類比泵頭體的內(nèi)腔應(yīng)力集中情況，通過(guò)理論分析和對(duì)頂壓疲勞試驗(yàn)得出，自增強(qiáng)圓環(huán)疲勞壽命是未自增強(qiáng)圓環(huán)的3倍左右?；贏BAQUS與MSC.Fatigue數(shù)值分析軟件，采用Signed von Mises應(yīng)力分量，考慮自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的影響，選用平均應(yīng)力的Goodman修正方法，對(duì)泵頭體進(jìn)行了全壽命分析。結(jié)果表明

6、:自增強(qiáng)處理后泵頭體疲勞壽命，可提高到原來(lái)的3.1倍。估計(jì)S-N曲線的分析結(jié)果最為保守，實(shí)驗(yàn)S-N曲線的分析得到的疲勞壽命最大。
　　(4)自增強(qiáng)殘余應(yīng)力對(duì)泵頭體疲勞裂紋的影響
　　從裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩方面，研究了自增強(qiáng)殘余應(yīng)力對(duì)泵頭體疲勞裂紋的影響。泵頭體自增強(qiáng)處理使應(yīng)力集中點(diǎn)的屈服強(qiáng)度提高、獲得三向殘余壓應(yīng)力、應(yīng)力比降低，三個(gè)方面的改變均能有效提高材料的裂紋萌生壽命;當(dāng)裂紋尖端的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子大于零時(shí)，自增強(qiáng)殘余壓應(yīng)