抽油桿表面裂紋的實驗研究與有限元分析.pdf

1、根據(jù)油田現(xiàn)場收集的資料來看，疲勞斷裂破壞是引起抽油桿失效的最主要原因。抽油桿的使用壽命基本上由疲勞裂紋擴展所控制，而表面裂紋往往是材料疲勞的起始裂紋，所以，對表面裂紋的疲勞擴展和應(yīng)力強度因子的研究具有重要的工程實際意義。
　　本文以30Mn2SiVD級抽油桿的工程實際應(yīng)用為背景，基于試驗和數(shù)值分析的方法，對抽油桿表面裂紋的擴展及剩余壽命進行了分析研究。
　　首先通過三點彎曲試驗測試了30Mn2SiVD級抽油桿的裂紋擴展的規(guī)律

2、，通過對a～N數(shù)據(jù)的變換擬合得到了材料常數(shù)C、m。然后以三點彎曲試驗為基礎(chǔ)，利用裂紋擴展速率和應(yīng)力強度因子幅度之間的關(guān)系，以James(—)Anderson方法為基礎(chǔ)得到了應(yīng)力強度因子的近似表達式。并針對直前緣表面裂紋在循環(huán)拉伸載荷作用下的裂紋形狀的演化進行了分析討論。
　　基于表面裂紋擴展實驗的研究基礎(chǔ)上，使用有限元的方法計算了三維表面裂紋在拉伸載荷作用下的應(yīng)力強度因子。通過計算，得出了表面裂紋最深點和表面點應(yīng)力強度因子的變化規(guī)

3、律。此外還對初始裂紋為直線和圓形的裂紋進行了計算，得出直線前緣裂紋最深點的應(yīng)力強度因子大于表面點的應(yīng)力強度因子，而圓形裂紋與之相反。在與實驗結(jié)果比較的基礎(chǔ)上，可知本方法的準確性。
　　本文通過數(shù)值模擬的方法對裂紋擴展的形狀變化規(guī)律進行了預測。得出了應(yīng)力幅度對裂紋形貌變化影響不大;初始裂紋深度對裂紋擴展形貌特征有著明顯的影響，這種影響會隨著裂紋深度的增加而逐漸減弱;任何初始裂紋在循環(huán)拉伸載荷作用下裂紋形貌都會迅速橢圓化，橢圓曲率會呈