2。利用簡化模型,可求出泵閥關(guān)閉時刻閥盤的速度為﹣19.3676m/s,加速度為﹣33476.65m/s2。
以簡化模型得到的關(guān)閉時刻閥盤的速度和加速度作為運動邊界條件,利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構(gòu)建泵閥的三維模型,模擬閥盤沖擊閥座的過程。按泵閥的實際尺寸建立泵閥整體模型,省略密封圈,根據(jù)鉆并泵閥實際工況設(shè)置材料屬性及幾何約束條件,采用 8 結(jié)點六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格化劃分,建立模型,剖視圖如圖 l 所示。
圖 1 泵閥三維模型剖視圖
應(yīng)用動力學(xué)理論分析處理碰撞、滑動接觸界面問題,得到錐角 45 °、7 #閥閥盤在閉合階段產(chǎn)生最大局部應(yīng)力時的應(yīng)力分布圖,如圖 2。
圖 2 閥盤應(yīng)力分布圖
由圖 2 得到閥盤在沖擊閥座的過程中,產(chǎn)生的最大局部集中應(yīng)力為 0.955×109Pa,從而可知泵閥錐面下端應(yīng)力集中區(qū)域承受的脈動循環(huán)載荷 0.955×109Pa,周期為 0.5s(泵閥的沖次為 120 次/min),如圖 3。
圖 3 錐面下端應(yīng)力集中區(qū)域受力形式
在脈動循環(huán)應(yīng)力作用下,錐面下端應(yīng)力集中區(qū)域更易形成疲勞裂紋,使泵閥的疲勞強度顯著降低,這一點與閥座失效的宏觀形貌中錐面下部發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的現(xiàn)象完全吻合??梢姡瞄y沖擊時應(yīng)力集中引起的沖擊疲勞是泵閥失效的主要原因。
本文采用三維幾何實體模型代替文獻(xiàn)中的二維平面模型,將各種類型動力載荷施加到結(jié)構(gòu)模型的特定受載部分,模擬真實碰撞過程。利用 ANSY/LS—DYNA 軟件有限元顯式非線性動力分析求解程序,計算得到更加精確的應(yīng)力解,并且對應(yīng)力分布的方位有更加直觀的認(rèn)識。
鉆井泵閥的制造材料廣泛采用40Cr鋼,40Cr鋼屬低合金中碳結(jié)構(gòu)鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,具有可塑性好、疲勞強度高、缺口敏感性低、低溫沖擊韌性優(yōu)良等特性。力學(xué)性能見表1。
σb/MPa | σ0.2/MPa | δs/% | ψ% |
---|---|---|---|
1080 | 950 | 18.0 | 58.0 |
文獻(xiàn)給出了 40Cr 鋼光滑試樣在 105~1010 循環(huán)周次范圍內(nèi)的疲勞壽命(S-N)曲線,如圖 4 所示。
圖4 40Cr鋼S-N曲線
在 105~108周次范圍內(nèi),疲勞曲線可用 Basquin 方程式描述:
式中σa——疲勞載荷應(yīng)力幅;
Nf——σa作用下發(fā)生疲勞破壞時的載荷循環(huán)周次;
σ'f——疲勞強度系數(shù);
b——疲勞強度指數(shù)或 Basquin 指數(shù)。
將實驗結(jié)果擬合得到 40Cr 鋼 S-N 曲線的 Basquin 方程為: