多轴载荷下GH4169合金疲劳寿命预测

基于多轴疲劳临界损伤面原理,在对GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温疲劳特性及有限元应力-应变关系进行分析的基础上,通过引入三轴因子FT,应用von-Mises准则提出了一个能够适用于GH4169合金不同应力状态的多轴疲劳损伤参量.新的损伤参量考虑了临界面上最大剪应变和法向应变对多轴疲劳损伤的不同以及应力状态对多轴疲劳寿命的影响.该多轴疲劳损伤参量不含有经验常数,便于工程应用.利用新的多轴疲劳损伤参量,结合Manson-Coffin方程,建立了新的多轴疲劳寿命预测模型.预测结果表明,该模型较准确地预测了GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温多轴疲劳寿命.     

多轴疲劳寿命预测及验证

以薄壁管试件为研究对象,分析了拉扭联合加载作用下的多轴疲劳应变变化特性·根据多轴疲劳临界平面法原理,以临界平面上最大剪应变幅、正应变幅以及表征材料总体损伤水平的非比例度为参数建立多轴疲劳损伤参量,结合MansonCoffin方程建立了多轴疲劳寿命预测模型·该模型考虑了材料总体损伤程度·模型中表征材料总体损伤的非比例度是加载参数的函数,与多轴疲劳应变变化特性密切相关·试验验证,预测寿命误差因子小于15·     

环氧树脂胶粘接的对接结构多轴疲劳寿命预测

环氧树脂胶黏剂的粘接结构已被广泛应用,多轴载荷作用下的疲劳寿命是其应用要考虑的重要问题.本文采用中空圆柱形对接试件,对其进行单轴拉压、单轴扭转、比例加载路径和非比例加载路径等不同路径下的疲劳实验,并获得了这些情况下试件的疲劳寿命.分别用SWT、FS、CHX和修正CHX的疲劳寿命预测模型对其寿命进行预测并与实验结果进行了比较.结果表明:SWT模型预测结果偏于保守,只有少部分非比例路径数据点部分落在2倍误差范围内;FS模型预测结果则过于保守,两个路径的所有数据点都远远落在2倍误差范围下方;CXH模型预测结果好于SWT和FS两个模型预测结果,两种路径的部分点都有落在2倍误差范围内.考虑到粘接结构在多轴疲劳载荷下的复杂混合失效特点,按照实验实际情况,对CXH模型进行了修正,增加两个方向应变的影响系数.采用修正后的模型对粘接结构多轴疲劳寿命进行预测,结果显示,大部分数据点都能落在2倍误差范围之内,预测结果优于以上3个模型.修正的CXH寿命预测模型适用于环氧树脂胶粘接的对接结构多轴疲劳的寿命预测.     

基于临界面损伤参量的金属材料多轴疲劳寿命预测

对最大剪切应变幅模型、KBM模型、FS模型和MKBM模型4种广泛讨论的临界面模型进行了对比分析,统计了8种金属材料圆管薄壁型试件在173个应变加载工况下的多轴疲劳试验数据,验证了这4种临界面模型对金属材料多轴疲劳寿命的预测能力,讨论了基于临界面损伤参量进行多轴疲劳损伤评估和寿命预测时仍需关注的几个主要问题.研究结果表明:最大剪切应变幅模型和KBM模型能较好地适用于多轴比例加载条件下的疲劳寿命预测,而对多轴非比例疲劳寿命的预测结果一般偏于危险估计;FS模型和MKBM模型在损伤控制参量中引入了一个临界面上的最大法向正应力参数来反映材料的非比例附加强化效应对多轴疲劳损伤的影响,显著提高了对多轴非比例疲劳寿命的预测能力.     

高温多轴比例与非比例循环加载下疲劳寿命预测

利用薄壁圆管和缺口试样,在MTS 809电液伺服材料试验系统上对GH4169合金的高温多轴疲劳特性进行了实验研究. 实验采用对称轴向和扭转应变控制、比例与非比例循环加载,轴向与扭转应变的相位差分别为0°,45°,90°. 通过对薄壁圆管和缺口试样的高温多轴疲劳寿命特性分析,基于临界面方法提出了一个的多轴疲劳寿命预测模型,在考虑临界面上最大剪应变和正应变对多轴疲劳损伤贡献的同时,还引入了应力状态对多轴疲劳寿命的影响因素. 应用新模型对GH4169合金高温多轴疲劳寿命进行预测结果表明,该模型对于缺口试样和薄壁圆管的高温多轴疲劳寿命估算具有较高的准确性.     

庆深气田水平钻井水基泥浆中套管磨损机理实验研究

水平井钻井过程中,钻杆与技术套管的接触力较大,套管磨损比较严重,套管强度降低较多,给后续试油及完井投产作业留下隐患。为了深入了解水平井水基泥浆中钻杆-套管的磨损机理,为准确评价庆深气田套管磨损程度及剩余强度提供依据,在西安石油大学创新研制的环块式钻杆-套管磨损实验机上,模拟实际钻进参数,进行了该气田常用的水基泥浆中钻杆-套管磨损实验,考察了接触压力、转盘转速、磨损时间等因素对套管磨损效率的影响。利用试件磨损表面扫描电镜(SEM)图片进行了形貌分析,确定了水基泥浆中套管的磨损机理。实验结果表明:水基泥浆中,套管的磨损类型兼有粘着磨损、疲劳磨损和犁沟磨损等。黏着磨损是最主要的类型,采用基于黏着磨损机理的White磨损效率模型预测井下套管的磨损是可信的。水基泥浆中P110套管的磨损效率在(2~8)×10-131/Pa之间,稍大于钻井手册中的套管磨损效率(2×10-131/Pa);磨损效率随接触压力和转速的增加而增加,前期增长速率小,后期增长速率大;磨损效率随磨损时间的增加先增加,后逐渐减少,最后趋于稳定。     

临界平面法对航空材料的适用性评估分析

多轴疲劳理论已经被大量的常规材料试验数据所证实,但是它们对航空材料的预测能力还没有进行广泛的验证。利用文献中三类航空材料的多轴疲劳试验数据,评估分析了六种基于临界平面法的多轴疲劳寿命预测模型对它们的预测能力。通过对比分析指出:Ince-Glinka模型最适合预测航空合金钢的疲劳寿命,而对于钛合金以及镍基合金,Brown-Miller模型最能准确预测其疲劳寿命。同时,合理的疲劳寿命预测模型需要全面考虑材料的失效模式及受力特点,而为了准确预测材料的疲劳寿命,则需要选择精确的应变疲劳参数。     

纯铜圆棒缺口试件拉压循环下的疲劳寿命分析*

对纯铜光滑试件和缺口试件的疲劳寿命规律差异进行探讨。通过光滑试件和缺口试件的循环疲劳试验和缺口试件的局部循环弹塑性应力应变响应分析,结合数值模拟与实验,比较了现有寿命预测方法对缺口试件寿命预测结果的差异。研究结果表明:传统的等应变幅等寿命的概念对于缺口试件的疲劳评估是不合理的;局部应力应变法用于大缺口试件的寿命预测结果可得到基本合理的结果;但对小缺口试件估测寿命结果不合理;应力梯度法对缺口试件寿命估测结果较局部应力应变法合理,因此可认为应力梯度是影响光滑和缺口试件疲劳寿命差异的重要因素。     

缺口根部残余应变与疲劳循环次数相关性

为了探索疲劳寿命与材料损伤之间的相关性,研究疲劳寿命的预测方法,对缺口根部的残余应变与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究.对带缺口GH4169材料拉伸试件进行了疲劳试验,实验中按一定的疲劳循环周次在零载荷状态下停机,并采集试件表面上的白光散斑图;应用数字散斑相关技术测量缺口附近的残余位移场,求出缺口根部的残余应变,得到缺口根部残余应变与疲劳循环次数的相关性曲线,获得了一些对于研究GH4169材料的疲劳寿命很有意义的重要结果.     

基于二阶粒子群算法优化的神经网络再制造工件疲劳寿命预测

再制造工件多元异质材料特性及工艺参数对疲劳寿命的影响,使得传统的疲劳寿命计算方法无法适用于再制造工件,针对此问题建立了再制造工件疲劳损伤预测修正模型,并通过疲劳试验分析了不同熔覆厚度和宽度条件下对试件疲劳强度和可靠性寿命的影响,同时获取了寿命预测修正系数;进而采用二阶粒子群算法优化的反向传播(back propagation,BP)神经网络,构建了材料性能参数、应力水平及再制造工艺影响因素与疲劳寿命之间的关系模型,针对再制造工件进行寿命预测。结果表明,神经网络的预测结果与试验数据相符,优于数值计算预测模型,为实现再制造工件的疲劳寿命预测提供了一种新的方法和手段。     

一种新的多轴疲劳寿命预测模型

基于SAE 1045中碳钢和40CrNiMo合金钢的疲劳试验结果,分别建立了单轴和多轴疲劳应变-寿命模型,寻求了两种模型的关系,发现:就所研究的两种材料而言,如果假设单轴疲劳应变-寿命模型(Manson-Coffin方程)中的疲劳强度指数和疲劳延性指数不变,而对疲劳强度系数乘以1.093 7、疲劳延性系数乘以0.751 2,以von Mises等效应变幅取代单轴拉压应变幅,则修正后的单轴模型等价于多轴模型。修正后的多轴疲劳寿命预测模型中,弹性线上移,塑性线下移的事实表明:对于同样大小的应变幅,单轴疲劳中的弹性应变分量大于多轴疲劳中的弹性应变分量,而单轴疲劳中的塑性应变分量小于多轴疲劳中的塑性应变分量。利用修正后的模型可以预测多轴疲劳寿命。     

一种多轴疲劳寿命预测的统一模型

基于SAE 1045中碳钢的单-多轴疲劳试验结果，在研究了扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅不同比值时的多轴疲劳寿命预测模型之后，建立了统一的多轴疲劳寿命预测模型。发现：不同的扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比导致不同的寿命预测模型，为寻求单轴模型与多铀统一模型的关系，假设单轴疲劳寿命预测模型中的疲劳强度指数和疲劳延性指数不变，而对疲劳强度系数乘以1．5435、疲劳延性系数乘以0．6713，以第一主应变幅取代单轴拉压应变幅，则修正后的单轴模型等价于多轴统一模型，利用修正后的单轴模型可以预测任意扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比时的多轴疲劳寿命。     

考虑缺口效应的多轴疲劳寿命预估模型

为研究缺口构件的多轴疲劳问题,基于损伤力学理论,结合von Mises等效准则的思想,建立一个考虑缺口效应的多轴损伤本构方程,综合考虑正应力和切应力在多轴损伤过程中所起的作用,提出一种适用于缺口件的多轴疲劳寿命预估模型.采用GH4169镍基高温合金、SAE1045钢和LY12CZ铝合金3种材料的缺口件多轴疲劳实验数据对所提出的模型进行评估和验证.结果表明:新模型的精度要高于传统的局部应力应变法,且与实验结果相吻合;同时新模型计算方便,便于工程应用.     

基于地层流变通式的套管载荷研究

我国流变性地层套管损坏严重,准确了解流变地层套管外载及其影响因素对套管强度设计具有重要意义。为此,基于地层流变通式,采用拉氏变换法对均匀地应力下流变地层位移方程进行了求解,建立了流变地层套管外载荷计算的新方法,分析了不同元件组成的流变模型对套管初始及最终载荷的影响规律。结果表明地层为三个或三个以下元件组成的流变模型时,套管初始载荷为流变模型中不与黏性元件或塑性元件直接并联的弹性元件所产生的套管载荷,最终载荷等于模型中所有弹性元件共同作用产生的载荷。研究成果对流变地层套管设计、延长套管使用寿命及降低套损发生率有一定的指导作用。     

恒幅加载下电阻点焊的疲劳试验及其有限元分析

疲劳试验采用MTS810电液伺服材料试验机,保持平均载荷不变,测定不同载荷幅下点焊试样的疲劳寿命.试验结果表明,恒幅加载下,随着载荷幅的增大,疲劳寿命循环数不断减小.且在双对数坐标形式下,疲劳寿命与载荷幅呈现近似线性关系.按照电阻点焊试样的结构尺寸和缺口形状使用ANSYS软件建立有限元模型,分析得到焊核周围区域的应力应...     

基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳分析

鉴于当前焊接接头疲劳评估曲线只适用于单轴加载情况,基于缺口应力法对焊接接头进行了多轴疲劳分析。通过联合焊接接头的多轴疲劳试验名义应力数据和有限元法所计算的缺口应力集中系数,获得了5种焊接接头的各向缺口应力;根据Von Mises、IIW和EESH 3种多轴疲劳准则计算出等效缺口应力并将其统一在同一坐标系统下;最后采用最小二乘法拟合出适用于多轴疲劳评估的缺口寿命曲线。与IIW标准推荐的单轴曲线相比,这些多轴缺口疲劳曲线具有更低的倾斜度和更高的疲劳等级,即多轴加载时明显降低了10~3~10~6次中周范围内的疲劳强度值,而对10~6~10~7次高周疲劳范围的影响则相对有限。     

双层组合套管优化设计方法

钻井遇到盐岩层及其它蠕变率高的地层时,套管受到内压和高外压的作用,常常引起变形甚至挤毁．对于此类地层,套管设计可行的办法是采用双层组合套管．认为双层组合套管在这类地层中,破坏是强度问题而不是失稳问题．从此点出发,采用相当应力建立了优化数学模型,利用复形法进行强度优化设计．经过多次电算,证明本文的设计是实用的,并有明显的经济效益．     

随机载荷加载下疲劳裂纹扩展速度的一种计算方法

为了揭示出随机载荷加载下,疲劳裂纹扩展速度的规律,利用临界平面方法,把多轴随机载荷等效为单轴随机载荷,并进而简化为单轴多级恒幅载荷谱,然后利用恒幅疲劳裂纹扩展的速度公式,计算裂纹的总增加量,推导出随机载荷加载下疲劳裂纹扩展速度的计算公式。通过对试件的疲劳寿命预测,验证了该公式的正确性。     

非均匀地应力下套管偏心对抗挤强度的影响

在常规地层条件下,套管的强度具有足够的富余量,因而一般对套管的偏心影响考虑较少.但在深井及盐膏层地层中,套管偏心的影响不可忽略.针对塔里木油田英买力区块钻进过程中出现的技术套管受挤变形问题,建立有限元模型,分析套管偏心对套管抗挤强度的影响规律,绘制套管偏心与套管最大应力的对应关系图,回归套管偏心与套管最大应力关系的计算公式.研究结果表明,非均匀地应力下,在最大地应力方向,套管偏心距越大,套管抵抗非均匀载荷能力越强;在最小地应力方向,套管偏心距越大,套管越容易挤毁.最后,利用研究结果确定了该区块的最低钻井液密度,从而有效地解决了套管变形问题.     

松软地层套管损坏机理分析

为了防止和减少松软地层套管损坏,采用分析计算方法,建立了松软出砂地层中套管的三维有限元力学模型,分析了出砂段高度、套管内压、以及垂向地应力对套管受力的影响。分析结果表明,出砂段的存在大大增加了套管损坏的危险性：出砂套管损坏危险程度与出砂段高度为二次曲线关系;最大当量应力与内压的关系基本上为双段线性。应使出砂段高度避免接近临界出砂段高度;并尽量使套管内压力接近临界内压。同时根据普氏砂拱效应建立了出砂量和套管最大应力之间的关系,为有效预测松软地层套管的损坏幅供了可行依椐．