抽油杆表面裂纹的实验研究与有限元分析

摘要

根据油田现场收集的资料来看，疲劳断裂破坏是引起抽油杆失效的最主要原因。抽油杆的使用寿命基本上由疲劳裂纹扩展所控制，而表面裂纹往往是材料疲劳的起始裂纹，所以，对表面裂纹的疲劳扩展和应力强度因子的研究具有重要的工程实际意义。
　　本文以30Mn2SiVD级抽油杆的工程实际应用为背景，基于试验和数值分析的方法，对抽油杆表面裂纹的扩展及剩余寿命进行了分析研究。
　　首先通过三点弯曲试验测试了30Mn2SiVD级抽油杆的裂纹扩展的规律，通过对a～N数据的变换拟合得到了材料常数C、m。然后以三点弯曲试验为基础，利用裂纹扩展速率和应力强度因子幅度之间的关系，以James(—)Anderson方法为基础得到了应力强度因子的近似表达式。并针对直前缘表面裂纹在循环拉伸载荷作用下的裂纹形状的演化进行了分析讨论。
　　基于表面裂纹扩展实验的研究基础上，使用有限元的方法计算了三维表面裂纹在拉伸载荷作用下的应力强度因子。通过计算，得出了表面裂纹最深点和表面点应力强度因子的变化规律。此外还对初始裂纹为直线和圆形的裂纹进行了计算，得出直线前缘裂纹最深点的应力强度因子大于表面点的应力强度因子，而圆形裂纹与之相反。在与实验结果比较的基础上，可知本方法的准确性。
　　本文通过数值模拟的方法对裂纹扩展的形状变化规律进行了预测。得出了应力幅度对裂纹形貌变化影响不大;初始裂纹深度对裂纹扩展形貌特征有着明显的影响，这种影响会随着裂纹深度的增加而逐渐减弱;任何初始裂纹在循环拉伸载荷作用下裂纹形貌都会迅速椭圆化，椭圆曲率会呈现由小变大再变小的特征，最大曲率会出现在0.8附近。
　　最后，依据有限元计算得到的应力强度因子表达式对30Mn2SiVD级抽油杆的剩余寿命进行了计算。确定了在各种条件下各裂纹长度的剩余寿命。为抽油杆剩余寿命利用的可能性提供了依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 工程背景

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 表面裂纹扩展速率

1．3．2 表面裂纹扩展速率的测试技术

1．3．3 裂纹应力强度因子的研究

1．3．4 疲劳裂纹扩展问题的研究

1．4 本文研究内容和方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

第2章 疲劳裂纹扩展速率的实验研究

2．1 基本原理

2．2 实验材料

2．2．1 试样材料

2．2．2 试件

2．3 裂纹扩展速率实验

2．3．1 试验设备

2．3．2 试验程序

2．4 实验数据处理及结果分析

2．4．1 实验数据处理

2．4．2 试验结果分析

2．5 本章小结

第3章 循环拉伸载荷作用下的应力强度因子

3．1 实验原理

3．2 实验材料和过程

3．2．1 试件

3．2．2 降载勾线技术

3．3 表面裂纹的疲劳试验

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 裂纹形状的演化

3．4．2 形状系数的拟合

3．4．3 抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子

3．5 本章小结

第4章 半椭圆表面裂纹应力强度因子的有限元分析

4．1 有限元法及ANSYS有限元分析软件介绍

4．2 应力强度因子的理论基础

4．3 有限元计算模型

4．3．1 裂纹几何形状的基本假设

4．3．2 单元的选取

4．3．3 有限元模型生成过程

4．3．4 有限元网格的划分

4．3．5 模型边界条件的施加

4．3．6 应力强度因子的计算过程

4．4 计算结果与讨论

4．4．1 形状系数

4．4．2 圆柱体表面裂纹应力强度因子计算结果的实验验证

4．4．3 a／b对应力强度因子变化的影响

4．5 本章小结

第5章 表面疲劳裂纹扩展仿真及分析

5．1 三维表面裂纹扩展的理论推导

5．2 裂纹扩展仿真的设计思路

5．3 计算仿真过程

5．4 结果分析

5．4．1 计算模型的验证

5．4．2 应力幅度对裂纹形貌变化的影响

5．4．3 初始裂纹深度对形貌比的影响

5．4．4 裂纹前缘形状对最深点和表面点应力强度因子的影响

5．4．5 裂纹形状变化分析

5．5 本章小结

第6章 裂纹扩展期剩余寿命的计算

6．1 抽油杆剩余寿命的计算

6．1．1 疲劳裂纹扩展模型

6．1．2 初始裂纹深度与计算区间的划分

6．2 计算结果

6．3 裂纹扩展期剩余寿命利用的可能性

6．4 提高抽油杆使用寿命的途径

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢