發(fā)布時(shí)間：2020-08-04 20:27

【摘要】：隨著非常規(guī)油氣資源成為新的能源開發(fā)方向,水力壓裂技術(shù)對壓裂機(jī)組提出了超高壓、大排量和長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)致疲勞開裂。自增強(qiáng)技術(shù)是一種利用殘余應(yīng)力來提高壓力容器承載能力和疲勞壽命的有效手段。對泵頭體實(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,具有十分重要的意義。論文以3000型壓裂泵的泵頭體為研究對象,通過開發(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;然后通過理論分析和類比試驗(yàn),對自增強(qiáng)處理后的疲勞壽命提高效果進(jìn)行了定量評價(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開發(fā)。通過可靠性驗(yàn)證和拉伸試驗(yàn)?zāi)M對比分析發(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)力場的精確分析。(2)泵頭體最佳自增強(qiáng)壓力研究通過泵頭體工程應(yīng)用失效分析和極限工況應(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)多軸疲勞壽命最長為標(biāo)準(zhǔn)的最佳自增強(qiáng)壓力確定新方法。經(jīng)過最佳自增強(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)力疲勞分析理論,通過試驗(yàn)測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)來類比泵頭體的內(nèi)腔應(yīng)力集中情況,通過理論分析和對頂壓疲勞試驗(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。基于ABAQUS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,對泵頭體進(jìn)行了全壽命分析。結(jié)果表明:自增強(qiáng)處理后泵頭體疲勞壽命,可提高到原來的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)力通過降低有效載荷比使裂紋擴(kuò)展速率下降;當(dāng)裂紋尖端的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子小于零時(shí),自增強(qiáng)殘余壓應(yīng)力減小了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力而使裂紋擴(kuò)展速率降低。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE934.2
【圖文】：

圖 1.2 理想彈塑性模型 圖 1.3 雙線性隨動(dòng)硬化模型圖 1.4 卸載冪硬化模型 圖 1.5 雙冪函數(shù)硬化模型為了建立精確的金屬材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，人們對材料變形過程中的硬化行進(jìn)行了深入研究。各向同性硬化準(zhǔn)則可用于描述金屬材料的單調(diào)加載行為Bauschinger 效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)硬化準(zhǔn)則的發(fā)展。將運(yùn)動(dòng)硬化法則用于描述材

圖 1.2 理想彈塑性模型 圖 1.3 雙線性隨動(dòng)硬化模型圖 1.4 卸載冪硬化模型 圖 1.5 雙冪函數(shù)硬化模型為了建立精確的金屬材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，人們對材料變形過程中的硬化行進(jìn)行了深入研究。各向同性硬化準(zhǔn)則可用于描述金屬材料的單調(diào)加載行為Bauschinger 效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)硬化準(zhǔn)則的發(fā)展。將運(yùn)動(dòng)硬化法則用于描述材

卸載冪硬化模型

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2781046