超高压泵头体自增强后的残余应力与疲劳寿命研究

发布时间：2020-08-04 20:27

【摘要】：随着非常规油气资源成为新的能源开发方向,水力压裂技术对压裂机组提出了超高压、大排量和长寿命的更高性能要求。泵头体的十字交叉孔内腔结构复杂,在脉动循环的超高内压作用下疲劳寿命低,容易导致疲劳开裂。自增强技术是一种利用残余应力来提高压力容器承载能力和疲劳寿命的有效手段。对泵头体实施液压自增强处理,能够使泵头体内腔产生有利的残余应力,从而使泵头体的承压能力和疲劳寿命都得到大幅度提高。因此,研究超高压泵头体自增强后的残余应力与疲劳寿命,具有十分重要的意义。论文以3000型压裂泵的泵头体为研究对象,通过开发和运用混合硬化弹塑性本构UMAT,获得准确的泵头体自增强残余应力场分布情况;基于多轴疲劳临界面理论,分析出了该泵头体的最佳自增强压力;然后通过理论分析和类比试验,对自增强处理后的疲劳寿命提高效果进行了定量评价;最后从裂纹萌生和裂纹扩展两方面,研究了自增强残余应力对泵头体疲劳裂纹的影响。论文所做的主要工作如下:(1)基于混合硬化本构模型的自增强残余应力分析混合硬化法则与金属材料的实际硬化行为更为接近,适合用于模拟具有反向加载的自增强残余应力分析。将背应力更新算法、应力补偿更新算法和一致性刚度矩阵更新算法,运用于混合硬化弹塑性本构UMAT开发。通过可靠性验证和拉伸试验模拟对比分析发现,混合硬化UMAT能很好地模拟出材料的应变硬化和包辛格效应,计算精度高,适合用于泵头体自增强残余应力场的精确分析。(2)泵头体最佳自增强压力研究通过泵头体工程应用失效分析和极限工况应力分析,确定泵头体的失效模式属于多轴应力下的高周疲劳。以塑性应变量作为判据,在泵头体不发生反向屈服的前提下,求得以静强度最大为标准的泵头体最佳自增强压力;考虑泵头体多轴疲劳临界面和残余应力对疲劳寿命的影响,提出一种以应力集中点多轴疲劳寿命最长为标准的最佳自增强压力确定新方法。经过最佳自增强压力处理后,泵头体内腔等效应力峰值明显下降、应力分布更加均匀。(3)自增强泵头体疲劳寿命分析与试验研究基于应力疲劳分析理论,通过试验测试获得泵头体材料的S-N曲线,用最大似然估计法得到置信度为99.9%的P-S-N曲线。在此基础上,设计了含缺口圆环来类比泵头体的内腔应力集中情况,通过理论分析和对顶压疲劳试验得出,自增强圆环疲劳寿命是未自增强圆环的3倍左右。基于ABAQUS与MSC.Fatigue数值分析软件,采用Signed von Mises应力分量,考虑自增强残余应力的影响,选用平均应力的Goodman修正方法,对泵头体进行了全寿命分析。结果表明:自增强处理后泵头体疲劳寿命,可提高到原来的3.1倍。估计S-N曲线的分析结果最为保守,实验S-N曲线的分析得到的疲劳寿命最大。(4)自增强残余应力对泵头体疲劳裂纹的影响从裂纹萌生和裂纹扩展两方面,研究了自增强残余应力对泵头体疲劳裂纹的影响。泵头体自增强处理使应力集中点的屈服强度提高、获得三向残余压应力、应力比降低,三个方面的改变均能有效提高材料的裂纹萌生寿命;当裂纹尖端的最小应力强度因子大于零时,自增强残余压应力通过降低有效载荷比使裂纹扩展速率下降;当裂纹尖端的最小应力强度因子小于零时,自增强残余压应力减小了裂纹扩展的驱动力而使裂纹扩展速率降低。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE934.2
【图文】：

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图 1.2 理想弹塑性模型图 1.3 双线性随动硬化模型图 1.4 卸载幂硬化模型图 1.5 双幂函数硬化模型为了建立精确的金属材料弹塑性本构关系，人们对材料变形过程中的硬化行进行了深入研究。各向同性硬化准则可用于描述金属材料的单调加载行为Bauschinger 效应的发现促进了运动硬化准则的发展。将运动硬化法则用于描述材

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卸载幂硬化模型

【共引文献】