（固体力学专业论文）石油钻杆接头的疲劳分析.pdf

哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 i i i i i i i 1 i i i i i i i i i i i i 摘要 钻杆是开采石油和天然气工程中的主要设备之一，钻杆接头是连接各段 钻杆的部件。由于钻杆接头的截面形式变化较大，不可避免的出现应力集中 现象，并且在钻井过程中大多在循环荷载下工作，所以很容易发生疲劳破坏。 因此，关于钻杆接头的疲劳问题越来越受到国内外有关研究人员的关注。 为了研究钻杆接头的疲劳性能，本文分别对拉压、扭转、弯曲和复合拉 扭荷载下钻杆接头的疲劳寿命进行计算。首先，在a n s y s 软件中建立钻杆 接头的有限元模型并进行应力分析，然后利用f e s a f e w o r k s 软件对应力 场结果进行疲劳寿命计算。材料选用近似高强度钢材，应用m i n e r 线性累积 损伤理论法则，采用雨流计数法处理荷载信号，采用单轴应力分析算法计算 疲劳寿命。 由计算出的疲劳寿命结果绘出钻杆接头疲劳寿命随台阶根部圆角半径变 化的影响曲线。当圆角半径增大时，构件的疲劳寿命显著地增大，和应力集 中系数变化的趋势相一致。因此，工程中可以选择合适的圆角半径使得构件 既满足疲劳强度要求又能满足接头处紧密连接的要求。另外，拉伸荷载下疲 劳寿命受圆角半径的影响大于弯矩荷载，验证了构件疲劳性能受荷载形式的 影响。还验证了钻杆接头在扭转时，受压缩荷载比拉伸荷载有利。 将有限元法和f e s a f e w 0 r k s 结合起来分析钻杆接头疲劳寿命的方法 可以推广适用于工程上的复杂构件的疲劳分析，为工程设计提供参考。 关键词：钻杆接头；疲劳寿命；累积损伤；双轴疲劳 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t d r i l lp i p ei so n eo ft h em a i ne q u i p m e n t sf o ro i la n dn a t u r a lg a se x p l o r a t i o n a n di ti sc o n n e c t e db yt h et o o lj o i n t s n l es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni si n e v i t a b l ef o rt h e s e c t i o nv e r i f i e dal o t m e a n w h i l e ，t h e ya r ew o r k i n gu n d e rt h ec i r c l i n gl o a d ，f a t i g u e f a i l u r eh a p p e n s s ot h ef a t i g u ei sm o r ea n dm o r ec o n c e r n e db yr e s e a r c h e r sa t h o m ea n da b o a r d i no r d e rt or e s e a r c ht h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h et o o lj o i n t so ft h ed r i l lp i p e ， t h ef a t i g u el i f eo ft h et o o lj o i n t si sc a l c u l a t e dw h i l eu n d e rp r e s s u r e - p u l l ，t o r s i o n , b e n ta n dc o m p l e xl o a do fp r e s s u r e p u l la n dt o r s i o ns e p a r a t e l yi nt h i sp a p e r f i r s t o fa l l ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h et o o lj o i n t so ft h ed r i l lp i p ei sf o u n d e di n a n s y ss o f t w a r e t h e nt h ef a t i g u el i f e i sc a l c u l a t e dw i t l lt h eh e l po ft h e f e s a f e w o r k ss o f t w a r e h i g l ls t r e n g t hs t e e li ss e l e c t e d ，m i n e rt h e o r yo fl i n e a r c u m u l a t i v ed a m a g er u l ei sa p p l i e d ，l o a ds i g n a li sh a n d l e db yr a i n f l o wc o u n t i n g m e t h o d ，a n ds i n g l e a x i ss t r e s si sa d a p t e df o r t h ec a l c u l a t i o n t h eg r a p ho ft h ec h a n g eo ff a t i g u el i f ea l o n gw i t l lt h ec h a n g eo ff i l l e tr a d i u s i sp l o t t e db yt h er e s u l ta b o v e w h i l et h ef i l l e tr a d i u si n c r e a s e st h ef a t i g u el i f e b e c o m e sl o n g e ra c c o r d i n g 丽t l lt h ec h a n g eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nr a t i o s o ，t h e p r o p e rf i l l e tr a d i u sf o rt h ec o m p o n e n tc o u l ds a t i s f yn o to n l yt h ef a t i g t l j es t r e s s d e m a n d ，b u ta l s ot h ec l o s i n gc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ej o i n t s i ti sp r o v e dt h a tt h e f a t i g u ep r o p e r t i e si se f f e c t e db yt h ec a t e g o r yo ft h el o a d , a st h ee f f e c to ft h e p r e s s u r e - p u l ll o a df o rt h ef a t i g u el i f ei ss t r o n g e rt h a nt h a to f t h eb e n tl o a dw i t ht h e c h a n g eo ff i l l e tr a d i u s i ti sa l s op r o v e dt h a tt h ep r e s sl o a dt a k e sa d v a n t a g eo ft h e f a t i g u el i f ew h i l et h ej o i n t sa r et o r s i o n i n g t h ec o m b i n a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n df e s a f e w o r k sf o rt h e f a t i g u el i f ea n a l y s i so ft h et o o lj o i n t so ft h ed r i l lp i p ei se f f e c t i v ea n dw o r t ht ob e p o p u l a r i z e d a n di tc o u l da l s of o rt h er e f e r e n c eo ft h ep r o j e c t sd e s i g n 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 k e y w o r d s ：t o o lj o i n t sf o rd r i l lp i p e ；f a t i g u el i f e ；a c c u m u l a t e dd a m a g e ；b i a x i a l f a t i g u e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：象厌渝 日期：湖年6 月l 珀 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文勺锰授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蝴 导师( 签字) ：移勇 日期： 9 7 年莎月l 泊纠年苫月f 5 日 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1基本概念 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材 料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下材料或结构就可能发生破坏。 这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。 美国试验与材料协会( a s t m ) 在“疲劳试验及数据统计之有关术语的标 准定义”中的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作 用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展 过程，称为疲劳【1 1 。 机器和设备经受的典型的交变载荷称为疲劳载荷，与其相应的应力称为 交变应力或疲劳应力，该交变载荷随时间的变化过程称为载荷谱，它可能是 无规律的、混乱的或者可能表现出某些规律性。具有周期性交变特征的载荷 称为循环载荷。因此每一个循环包含着一个载荷变化的完整周期和相应的应 力变化的完整周期。 材料或构件疲劳性能的好坏是用疲劳强度来衡量的，所谓疲劳强度就是 指材料或构件在交变载荷作用下的强度。疲劳强度的大小又是用疲劳极限来 衡量的，所谓疲劳极限就是指在一定循环特征下，材料或构件可以承受无限 次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。因材料的疲劳极限随加载方式和 应力比的不同而异，通常以对称循环下的疲劳极限作为材料的基本疲劳极限。 疲劳寿命是疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，一般用表示。 试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的荷载情况。一般说来，材 料的强度极限愈高，外加的荷载水平愈低，试样的疲劳寿命就愈长；反之， 疲劳寿命就愈短。表示这种外加荷载水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲 线称为材料s - n 曲线。 进行疲劳强度设计，需要有材料的疲劳性能数据。但有时虽然选择了合 适的材料，制成零件后，使用中仍然发生意外的疲劳断裂事故。这可能是由 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i - i 于设计者在某方面的疏忽、或偶然的过载、或零件制成后使用条件有了改变 所致。这些现象都说明，材料的疲劳强度不等于零件的疲劳强度，所以设计 理论是重要的【引。 1 2 论文背景和意义 随着世界经济的发展和人口的增长，能源的需求量也越来越大，能源紧 张已成为人类面临的最严重问题之一。我国人口众多，人均石油占有量很少， 因此能源问题对我国更是显得紧迫。石油勘探、增加开采量的重要性是不言 而喻的。 石油在世界能源构成中占有十分重要的地位，而石油勘探、开发的各个 阶段都离不开钻井工作。为了要找到石油，首先要寻找有可能储存石油的地 质构造，为此要进行地质普查工作，要钻地质井、基准井、制图井、构造并 等。在地质普查阶段之后是区域勘探阶段，这阶段的任务就是确定前一阶段 所找到的地质构造中是否含有工业开采价值的油、气，并研究其油层性质、 含油、气情况、面积、储量等。为此需钻凿预探井、详探井、边探井等。当 某一油区已核发现，决定进行开发时，更需要钻井，如生产井、注水井、估 价井、观察井等。所以，从寻找油、气到生产出油、气的各个环节都离不开 钻井工作【3 】。尽管各阶段所钻井的名称、用途，直径大小以及深度各不相同， 它们的钻井过程却是相差不多的。 由于石油钻井都很深，我国目前钻井井深多在1 - - - 3 k i n 。石油钻具的主要 构件是钻杆。钻杆的功用是将破碎岩石的扭矩从地面传递给钻头，并形成洗 井液循环的通路。在用井下动力钻具时，钻杆则承受钻具的反扭矩。 钻杆主要承受拉、压、弯、扭、振动载荷，旋转离心力和起下钻附加动 载的作用，工作条件十分恶劣。据石油管材研究中心近年来的分析，钻杆疲 劳失效约占8 0 1 4 1 。 钻杆的破坏主要是钻杆的疲劳断裂导致的管体刺穿，一旦管体刺穿，由 于管内有钻井液的压力很大，钻井液对刺穿处产生冲蚀，洞口很快扩大最终 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 导致钻杆断裂。 钻杆在正常工作过程中处于钻井液中，一般均具有一定的腐蚀性。钻杆 腐蚀疲劳失效，是腐蚀介质( 钻井泥浆及地层介质) 和弯曲交变应力共同作 用的结果。根据失效分析，钻杆腐性疲劳过程可分为蚀坑的形成、裂纹的萌 生、裂纹扩展、刺穿和断裂等几个阶段。一般情况下，在腐性介质中承受循 环载荷的构件，其寿命( 即腐蚀疲劳寿命) 大部分是蚀坑的成长阶段，这就 是使用前已形成蚀坑的钻杆寿命短的原斟5 1 。 鉴于疲劳破坏的严重性，研究钻杆的疲劳特性是非常必要的。由于传统 的疲劳试验验证通常是通过一定量的物理耐久样机的耐久试验得到，不但试 验周期长、耗资巨大，而且许多相关的参数与失效的定量关系也不能在试验 中得出，试验结论还受许多偶然因素的影响【6 】。因此对于产品疲劳的仿真分 析越来越受到产品设计人员的关注。这对于提高资源的利用效率，国家技术 的进步和经济的发展都是非常有意义的。 1 3 国内外的研究现状 钻杆的疲劳失效分析就是研究钻杆潜在的或现在的失效机理、失效的发 生概率以及相应的影响因素，即是对钻杆的疲劳失效模式、失效机理和原因 的分析。目前国内外尚无一套完善的理论和方法来对其进行分析，这是因为 钻杆在运行过程中常常受到人为因素、腐蚀介质、应力、地层状况和杂质等 许多因素的影响，致使钻杆发生失效。因为引起钻杆发生失效的因素复杂， 加之钻杆大部分是在井下几百米到几千米的环境下工作，更增加了对钻杆疲 劳失效分析技术研究的难度1 7 j 。 1 9 世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲 劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳特性的研究、疲劳寿命的预测和抗疲 劳设计技术的发展等方面都积累了丰富的知识。2 0 世纪5 0 年代断裂力学的 发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究【8 】。疲劳断裂失效 涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成与扩展，涉及到使 3 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 用环境的影响，等等，问题的复杂性是显而易见的。 a p i ( 美国石油学会) 对不同尺寸不同强度的钻杆进行了大量全尺寸试 验，提出了多项指标。长期以来国外学者从钻杆的缺陷出发对钻杆的失效分 析做出了大量的研究工作。b a d a l e 认为裂纹扩展导致钻柱疲劳失效的原因 除了与金属材质有关外，还与应力突变、腐蚀、微裂纹扩张、摩擦、划痕等 加速初始疲劳裂纹扩展的因素有判9 。s e n a 和t o m 通过有限元模拟钻杆的使 用工况得出了不同形状缺陷应力集中状况。a n d c r i 研究了钻杆在受到拉、弯 应力时加厚过渡区的应力集中。r a l p h 对钻杆加工时喷丸强化工艺对加厚过 渡区的影响进行了研究。c a r p n i e t r i 等人分析了钻杆旋转弯曲时对裂纹扩展造 成的影响。j a h o w a r d 介绍了一种对钻柱累积疲劳损伤及裂纹扩展进行研究 的方法，并就如何确定疲劳检测及钻柱更新的周期等进行了科学的论述【l o l 。 在全尺寸疲劳试验结果及井场数据的基础上，a 。b a r y s h n i k o v 等人认为引起 疲劳失效的原因包括制造因素和钻井工艺因素，并提出了计算钻杆和钻具接 头疲劳寿命的方法【1 1 1 。还有很多学者从腐蚀疲劳的角度对钻杆失效进行了分 析。 我国对石油管材的失效分析最早始于1 9 6 6 年，并于1 9 8 1 年建立了以石 油管材研究所为核心的我国石油天然气工业的失效分析中心，在1 9 8 9 年成立 了全国钻具失效分析网。经过多年的努力，全国油田重大钻具失效事故率由 原来的1 0 0 0 起左右每年下降到目前的2 5 0 起左右每年。早期失效分析的研究 主要是针对地面输送管线，然后才逐渐推广到对钻杆进行失效分析。1 9 8 5 年， 李鹤林和李平全等人在进行钻杆失效事故调查时，发现7 0 的事故发生于内 加厚过渡区。经失效分析，认为是由于内加厚过渡区结构不合理造成应力集 中和腐蚀集中引起的早期腐蚀疲劳失效。在此基础上，采用有限元分析方法 对内加厚过渡区结构进行了优化设计，使钻杆实际使用寿命提高2 - - - , 3 倍【l 卫。 傅建钦等人通过研究钻杆内加厚过渡带结构参数对其应力集中系数的影响， 提出了实现钻杆内加厚过渡部位低应力集中设计的基本条件【1 3 1 。张备和李青 对3 7 c r m n m 0 4 h 1 钻杆接头用钢进行了研究【l 引。李斌等采用有限元方法分析 4 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 多种n c 4 6 扣型的改进设计方案，包括扩大螺纹根部圆弧半径、公母扣大端 切削以及改变公扣锥度。分析各种改进设计方案对螺纹根部应力集中的影响， 以及螺齿上接触载荷的分布变化，得出改变公扣锥度方案对降低公扣根部应 力集中的效果最好【l 引。刘祖煌对钻杆受力情况进行分析，导出接头强度及磨 损临界直径的计算式1 16 | 。谢超军和仓恒川介绍采用超声波无损检测方法和技 术，解决了钻杆9 0 度台阶端裂纹型缺陷的大小和深度的精确检测，预防井下 钻具事故的发生【1 7 】。黄祯、李晋涛和高自力对深井钻柱疲劳破坏的机理进行 了分析【l8 1 。杨冬平和高学仕通过对钻柱疲劳破坏机理的分析，建立合理的钻柱 受力模型，同时编写可适合于工程应用的钻柱寿命计算程序，研究了影响钻 柱疲劳破坏的主要因素，为井下钻柱的使用尤其为定向井和水平井钻进过程 中避免或减少发生钻柱复杂情况和井下事故提供了可靠的保证【19 1 。王祝胜和 c e w i l s o n 研究了长锥体加厚端的新设计，介绍一种新的应力释放接头，能 显著改善长锥体加厚端钻杆接头的性能，使其疲劳寿命增加约为一倍【2 0 】。杨 进能对钻杆的使用情况进行了力学与运动学分析，并对钻杆接头及耐磨带进 行了研究，阐述了钻杆偏磨产生过程和形成机理，以及对钻杆疲劳寿命的影 响，提出了减少偏磨的措施【2 。王新虎等对s 1 3 5 钢级钻杆的材料进行了腐 蚀疲劳寿命试验、拉伸性能试验及成分分析，得出成分偏析及夹杂物导致材 料的阳极溶解，特别是氢致开裂速度加快是腐蚀疲劳寿命减少的主要原因 【2 2 】 o 传统的钻杆疲劳的研究，大都是针对钻杆材料的疲劳性能研究，包括材 料的疲劳试验和腐蚀疲劳试验，较少针对实际钻杆构件的疲劳计算与分析。 目前，专业从事疲劳计算的软件有m s c f a t i g u e 和f e s a f e w o r k s ，两者 都要借助有限元结构分析的应力场结果来分析疲劳问题。在工程设计中这种 方法分析起来十分的方便，得到了广泛的应用1 2 3 1 。陈向阳用f e s a f e w o r k s 对转接轴进行了疲劳分析1 2 4 j 。郭建平用m s c f a t i g u e 分析电子设备的随机振 动疲劳【2 5 】。张逊用f e s a f e w o r k s 进行了模具联接螺栓的疲劳仿真分析【2 6 1 。 但是材料的疲劳现象是一个十分复杂的问题，与疲劳有关的因素有4 0 5 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 多个【2 。虽然疲劳的研究取得了很大的进展，但人们还没有完全掌握疲劳断 裂的规律和本质，还不能完全防止因疲劳断裂引起的灾难性事故。现有的疲 劳的无限寿命设计、安全寿命设计或损伤容限设计方法，都没有充分考虑影 响材料疲劳寿命主要过程的微裂纹和短裂纹扩展，因而或偏于保守，或偏于 危险。今后发展的方向是在复杂介质当中的疲劳与断裂。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 在绪论中引出钻杆的疲劳问题，阐述论文的背景和意义。介绍钻井 工程和疲劳的相关理论发展历程，重点叙述钻杆失效研究的发展历史和疲劳 理论研究的发展情况，提出论文的主要任务。 ( 2 ) 介绍疲劳的基本理论和疲劳的计算方法。讨论疲劳的类型和各自的 特性。应力疲劳和应变疲劳的原理。包括基本的s - n 曲线及其特性，工程应 力、应变和真实应力、应变，应力应变曲线，滞后环、循环应力应变曲线、 滞后环曲线和s 一曲线，疲劳累积损伤理论和与之相符合的荷载信号的处 理法。累积损伤理论是疲劳计算的理论基础，使得疲劳计算成为可能。雨流 计数法是常用的荷载信号处理方法，它利用累积损伤法则，将工程结构和机 械在服役中受到的随时间变化的不规则的载荷，处理成全循环的恒幅载荷谱。 ( 3 ) 简单介绍钻井工程研究的基本理论。包括钻杆的服役环境、钻杆的 组成、受力情况和钻杆力学的研究方法。根据钻井力学原理将工程中的荷载 简化为拉伸，扭转和弯曲荷载。将钻杆接头构件简化为变截面的圆管，用有 限元软件对钻杆接头在拉伸、扭转和弯曲荷载下的应力进行分析，并引入钻 杆疲劳的问题。 ( 4 ) 将疲劳软件计算应用到钻杆接头的疲劳分析中。将有限元的应力场 结果导入f e s a f e w o r k s 中，定义材料属性，施加循环荷载，选用适当的 疲劳算法，计算构件的疲劳寿命。改变接头圆角半径后，依次计算其寿命， 画出疲劳寿命受圆角半径影响的曲线，找出构件疲劳的原因和选择最合适的 圆角半径。计算钻杆接头在轴向力合扭转复合的荷载下的疲劳寿命，对受拉 6 哈尔滨下程大学硕十学忙论文 圆角半径。计算钻杆接头在轴向力合扭转复合的荷载下的疲劳寿命，对受拉 压的两种情况作比较。为钻杆接头的设计提供理论依据。 7 哈尔滨t 稃火学硕十学伊论文 第2 章疲劳的基本理论 疲劳( f a t i g u e ) 是引起结构和构件失效的最主要的原因之一，疲劳引起 的失效在工程失效中越来越突出。因此，掌握疲劳分析的基本概念、规律和 方法，是在工程实践中成功地进行抗疲劳设计所必须的。 2 1 疲劳的基本概念 2 1 1 疲劳的定义、特性 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂 纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲 劳。 疲劳具有如下的特性【2 8 1 ： ( 1 ) 只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。 s f 粥 s 1 s 7 粼一丛l 0 变幅循环 mm 一 s 随机荷载 图2 1疲劳荷载形式分类 如图2 1 所示，载荷随时间的变化可以是有规则的，也可以是不规则的， 甚至是随机的。 8 哈尔滨t 稃人学硕十学伊论文 最简单的循环载荷是恒幅应力循环载荷。图2 2 所描述的是正弦型恒幅 循环应力。描述一个应力循环，至少需要两个量，如循环最大应力s m 戤和最 小应力s m i n 。这二者是描述循环之应力水平的基本量。 瓦 o f fo 一 于一 图2 2 正弦恒幅循环应力 疲劳分析中，还常常使用到下述参量，即： 应力变程为a s = 趾一趾； 应力幅为s o = ( 一) 2 ； 平均应力为s m = ( o + ) 2 ； 应力比为r = s o i 。 s ” v ：y f r = 0 图2 3 不同应力比下的应力循环 应力比r 反映了不同的循环特征，如当o = 一趾时，r 一1 ，是对称 循环；s t a i n = 0 时，r = 0 ，是脉冲循环；趾= s o i 。时，r = i ，s o = 0 是静载荷。 上述参量中，只需已知其中任意两个量，即可确定循环应力水平。 9 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 ( 2 ) 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部区域。 静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部 开始，形成损伤并逐渐累积，最后导致破坏。因此，局部性是疲劳起源的明 显特点。零、构件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。疲劳研究所关心的 正是这些由几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节，要研究这 些细节处的应力应变。 ( 3 ) 疲劳破坏可以分成多个过程。 在足够多次的扰动载荷作用之后，从高应力或高应变的局部开始，形成 裂纹，称为裂纹萌生。在扰动载荷作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界 尺寸而发生完全断裂。裂纹萌生、扩展和断裂三个阶段是疲劳破坏的三个阶 段例。疲劳总寿命也由相应的部分组成，因为裂纹失稳扩展是快速扩展，对 寿命的影响很小，在估算寿命时通常不予考虑。故一般可将总寿命分为裂纹 起始或萌生寿命与裂纹扩展寿命两部分，即 蚝= 生哪展 ( 2 - 1 ) 进行裂纹起始寿命分析时，一般按应力寿命或应变寿命关系进行，称为传 统疲劳；疲劳裂纹扩展寿命分析则必须考虑裂纹的存在，需用断裂力学方法 研究，故称为断裂疲劳。 完整的疲劳分析，既要研究裂纹的起始或萌生，也要研究裂纹的扩展， 并应注意两部分寿命的衔接。但在某些情况下，也可能只需要考虑裂纹起始 或扩展其中之一，并由此给出其寿命的估计。例如，高强度脆性材料的断裂 韧性低，一出现裂纹就会引起破坏，裂纹扩展寿命很短，故对于由高强度材 料制造的零、构件，通常只需考虑其裂纹起始寿命，即总= 萌生。延性材 料构件有相当长的裂纹扩展寿命，则一般不宜忽略。而对于一些焊接、铸造 的构件或结构，因为在制造过程中己不可避免地引入了裂纹或类裂纹缺陷， 故可以忽略其裂纹起始寿命，取总= 扩展，即只需考虑其裂纹扩展寿命即 可。 l o 哈尔滨t 稃大学硕+ 学伊论文 2 1 2 疲劳的分类 可以从不同的角度对疲劳进行分类。根据研究对象的不同可以分为材料 疲劳和结构疲劳。材料疲劳研究材料的失效机理、化学成分和微观组织对疲 劳强度的影响，标准试样的疲劳试验方法和数据处理方法，材料的基本疲劳 特性，环境和工况的影响，疲劳断口的宏观和微观形貌等，其特点是使用标 准试样进行试验研究。结构疲劳则以零部件、接头以至整机为研究对象，研 究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法，形状、 尺寸和工艺因素的影响，以及提高其疲劳强度的方法。 根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数的不同，可以分为高周疲劳和低 周疲劳。高周疲劳是材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限，甚至只有 屈服极限的三分之一左右，断裂的的循环次数大于1 x 1 0 5 l x l o7 次。通常用 s - n 曲线来描述该材料的疲劳特性。低周疲劳是指材料所受的交变应力较高， 通常接近或超过屈服极限，断裂前的循环次数较少，一般少于l x l 0 4 - - - 1 x 1 0 5 次。高周疲劳与低周疲劳的主要区别在于塑性应变的程度不同。高周疲劳时， 应力一般较低，材料处于弹性范围，因此其应力与应变是成正比的。低周疲 劳则不然，其应力一般都超过弹性极限，产生了比较大的塑性变形，所以应 力与应变不成比例。因为高周疲劳是各种机械中最常见的，故简称疲劳，通 常所说的疲劳般是指高周疲劳。 根据应力状态的不同可以分为单轴疲劳和多轴疲劳。单轴疲劳是指单向 循环应力作用下的疲劳，这时零件只承受单向正应力或单向切应力。例如只 承受单向拉压循环应力、弯曲循环应力或扭转循环应力。多轴疲劳是指多向 应力作用下的疲劳，也称为复合疲劳。例如弯扭复合疲劳、双轴拉伸疲劳、 三轴应力疲劳等。 根据载荷作用的幅度和频率可以分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳。 恒幅疲劳是指交变应力的幅度和频率都是固定不变的；变幅疲劳是指交变应 力的幅度变化，而频率不变；随机疲劳则是应力幅度和频率都在随机变化的。 根据载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、机械疲劳、 1 1 哈尔滨丁稃人学硕十学伊论文 热疲劳、热机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳等。 2 2 应力疲劳 按照循环应力的大小，疲劳可分成为应力疲劳和应变疲劳。如果最大循 环应力& 舣小于屈服应力q ，则称为应力疲劳。因为作用的循环应力水平较 低，寿命循环次数较高( 疲劳寿命一般大于1 0 4 次) ，故也称为高周疲劳。 如果最大循环应力大于屈服应力吒，则由于材料屈服后应变变化较大， 应力变化相对较小，用应变作为疲劳控制参量更为恰当，故称之为应变疲劳。 因为应变疲劳作用的循环应力水平较高，故寿命较低一般小于1 0 4 。应变 疲劳也称为低周疲劳。 2 2 1基本s n 曲线 材料的疲劳性能，用循环应力s 和到破坏时的寿命之间的关系描述。 在对称恒幅循环载荷控制下，实验给出的应力寿命关系，用s - n 曲线表达， 是材料的基本疲劳性能曲线。y n ni p l 时，有s o = k ，故基本应力一 寿命曲线称s - n 曲线。寿命，定义为在对称恒幅载荷作用下循环到破坏的 循环次数。 2 2 1 1s - n 曲线的形状及特性 材料疲劳性能试验所用标准试件一般是小尺寸( 3 1 0 r a m ) 光滑圆杆试 件。材料的基本s - n 曲线，给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的 裂纹萌生寿命。 在给定的应力比r 下，对组标准试件( 通常为7 0 1 0 件) ，施加不同 的应力幅& 。进行疲劳试验，记录相应的寿命，即可得到图2 4 所示的s - n 曲线。由图可知，在给定的应力比下，应力s 越小，寿命越长。当应力s 小 于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。 1 2 哈尔滨t 程火学硕十学伊论文 s s n s f 1 0 3 l o 1 0 51 0 61 0 7m 图2 4s n 曲线 由s - n 曲线确定的，对应于寿命的应力，称为寿命为循环的疲劳强 度，记作乱。寿命n 趋于无穷大时所对应的应力s 的极限值s ，称为材料 的疲劳极限。满足s 0 ，即拉伸平 均应力作用时，s - n 曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命下降；& 9 6 5 m p a 。 3 5 1拉伸荷载下的应力计算 在a n s y s 软件中建立有限元模型时，由于钻杆接头不是很长，单元数 量不是太多，所以选用s o l i d 4 5 实体单元，计算速度也比较快。首先，对实体 模型的轴向剖面进行二维离散，得到轴向与半径方向的二维有限元网格，用 不参与有限元计算的平面m e s hf a c e t2 0 0 单元建立构件的纵向截面，并划分网 格，然后将二维网格旋转一周建立三维带网格的实体单元模型，如图3 2 所 示【5 3 】。 图3 2 钻杆接头有限元网格 荷载选用单位拉伸荷载，施加在上端横截面上。下端横截面约束y 轴方 向的位移为0 。然后计算得出应力云图，如图33 所示。 由图中m i s e s 应力云图可以看出，在台阶根部圆角处有明显的应力集中 现象。由于施加的是单位荷载，应力集中系数就是最大应力值18 3 8 。 黑暑二一= = 了= 船 图33m i s e s 席力云幽 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 修改模型中公接头台阶根部圆角的半径，由d , n 大0 1 m m - - - 6 m m 之间变 化，每次增加o 5 m m ，重复以上计算步骤，得出在不同的圆角半径下，应力 值的变化，如下表，并绘制出拉伸荷载下圆角半径对应力集中处的影响曲线 。图，如图3 4 所示。 表3 1 不同的圆角半径下的惠力值 半径 0 10 511 522 533 544 555 56 ( m m ) 等效应力 ( p a ) 1 8 6 8 1 8 3 8 1 7 9 61 7 4 81 6 9 61 5 0 4 1 4 8 21 4 5 3 1 4 6 91 4 8 21 4 9 51 4 9 11 4 8 轴向正应 力( p a ) 2 1 3 22 0 5 11 9 4 41 8 31 7 4 51 7 2 9 1 7 0 1 1 6 5 8 1 6 7 3 1 6 8 31 6 9 21 6 81 6 5 7 0l23456 圆角半径( 咖) 图3 4 拉伸荷载时圆角半径对应力值的影响 由表3 1 和曲线图3 4 可以看出，随着圆角半径的增大应力集中系数变小， y 轴方向的应力值由2 1 3 2 p a 降到最小达到1 6 5 8 p a 。当半径r = 2 5 m m 应力 值就有很大的减小，当半径再增大时应力值都在1 6 8 p a 附近波动。 3 5 2 扭矩荷载下的应力计算 扭矩的荷载作用下的有限元模型如图3 5 所示。单元属性和拉伸情况下 相同，所不同的是，在上端横截面处建立m p c i 8 4 刚性梁单元，将截面上的 每个节点和中心节点连接起来，形成个圆锥体。即中心点和整个截面相固结， 整个截面的总扭矩可以施加到这个中心点上，这样就解决了不能在a n s y s 4 2 哈尔滨上程人学硕士学位论文 的实体单元上加力矩的问题。下面的例子，在弯矩荷载下的计算模型也是按 照这种方法建立的。这种m p c i 8 4 剐性梁单元的另一个好处是，在疲劳计算 的时候被忽略，从而不影响其他的s o l i d 4 5 单元的计算。 m 图35 扭矩的荷载下有限元模型 焉，二；二、，蒂 1 6 363 15 0 。， 5 6 9 z8 3 7 幽3 6 扭矩荷载作用r 等效应力云幽 在下端截面处的边界条件，为所有节点固结。计算出结果应力云图3 6 。 零p 哈尔溟i 稃人学硕十号：伊论文 由图可知在圆角处，也有应力集中现象。 由公式( 3 2 ) 抗扭截面模量为： 呢= 等k ) 4 = 3 舵枷啊 由于施加的是单位力矩1n m ，所以由公式( 3 3 ) 得最大名义剪应力为： = 鲁= 丽杀瑚t 5 p a 应力集中系数为： k ：纽 ( 3 5 ) 当r o 1 1 1 1 i i l 时，应力集中系数k = 两4 5 西8 0 = 1 3 8 。求出不同半径下的结果母 表3 2 所示。 表3 2 不同的圆角半径下的应力值 半径( r a m ) o 1o 5l1 522 533 544 555 56 m i s e s 应力 ( p a ) 8 5 0 3 8 3 7 78 2 0 48 0 1 77 8 1 87 6 2 87 5 4 47 4 3 27 3 0 0 7 1 5 57 1 8 l7 1 7 37 1 4 0 最人剪应力 ( p a ) 4 5 8 04 5 2 3 4 4 4 94 3 7 24 2 9 64 2 2 l4 1 4 44 0 5 24 0 7 l4 0 8 34 0 8 44 0 5 84 0 2 0 应力集中系 1 3 8 1 3 61 3 4 1 3 21 3 01 2 71 2 51 2 21 2 21 2 31 2 31 2 2 41 2 l 数k i 由图3 7 可知，应力值都随着半径的增大而降低。在半径为r = 4 5 m m 时， m i s e s 应力达到最小值。 由于扭转圆管为二维纯剪切状态，0 - 1 = j f ，0 2 = 0 ，0 3 = - - z ，所以m i s e s 应力为 o m t s e s 2 由于应力集中的影响，m i s e s 应力值有所增大。 ：品( 3 6 ) 呈尘至；：垒奎：譬：釜薹兰 9 0 0 0 8 0 0 0 三7 0 0 0 ：二6 0 0 0 r 遐5 0 0 0 4 0 0 0 r 、。，、? 一一j 一 + 等效应力 + 最大剪应力 ! 。“。1 - 。 0l2 3456 圆角半径( f i l m ) 图37 扭转荷载下圆角半径对应力的影响 3 53 弯矩荷载下的应力计算 按照前面施加扭矩的方法，在钻杆接头的上端截面处定义一个中心节点， 使用m p c 18 4 单元将中心节点和截面上的节点形成多根刚性梁，从而形成刚 性面。最后也是直接加弯矩载荷到中心节点上面，通过刚性粱来传递载荷。 m 一1 l | li 圈3 8 弯矩荷载下的等效应力 4 5 哈尔滨- ：稃大学硕十学伊论文 1 施加单位弯矩，约束下端截面全部节点的全部位移，分别在不同圆角半 径下求解模型的应力值。 由图3 8 可知，等效应力最大值同样在圆角处。一边为拉应力，另一边 为压应力，应力左右反对称分布。 表3 3 不同的圆角半径下的应力值 半径m m 0 1o 511 522 533 544 555 56 等效应力 ( p a ) 1 2 2 l l1 2 0 2 2 1 1 7 5 21 1 4 4 71 1 1 0 79 8 3 19 6 8 89 5 0 39 6 1 89 7 1 89 7 8 69 7 6 39 6 9 0 轴向o y 应 1 3 9 8 51 3 4 5 91 2 7 5 11 1 9 9 9 1 1 4 0 71 1 3 0 01 1 1 2 21 0 8 4 81 0 9 5 01 1 0 3 11 1 0 7 6 1 0 9 9 51 0 8 4 7 力( p a ) 应力集中系 2 1 l 2 0 31 9 31 8 l1 7 21 7 l1 6 81 ，6 41 6 51 6 71 6 71 6 61 6 4 数k 田材科刀字目j 知，瓴芎碱圆俣重为： 彬= 针母d = 1 5 嘞3 。 3 2 、 7 l 最大正应力为： 。：丝：上：6 6 2 1 0 3 p a 2 万2 两两萨2 a 应力集中系数为：k ：o y 21 5 0 0 0 c 口 凸_ 坦1 0 0 0 0 r 词5 0 0 0 o o123456 圆角半径( m m ) 图3 9 弯矩荷载下圆角半径对应力的影响 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) + 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 由图可知，应力值和应力集中系数在半径r = 2 5 m m 时，减幅比较大。在 r = 3 5 m m 时候最小。 3 6 本章小结 本章从钻杆的组成和钻杆的工作环境出发，引出钻杆力学问题。简单介 绍钻井工程的基本理论。包括钻井工程中钻杆的服役环境和钻杆受力情况。 用a n s y s 软件计算出了钻杆接头在拉压，弯曲，扭转情况下的应力场，得 出在各自荷载情况下以及不同圆角半径模型的应力和应力集中系数，为后面 钻杆接头的疲劳分析做准备。 4 7 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 第4 章钻杆接头的疲劳分析 产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。随着市场竞争的日趋激烈， 产品的寿命对用户来说显得愈来愈重要。与传统的静强度设计相比，疲劳寿 命设计需要了解产品的使用环境，应用现代疲劳理论，并结合试验验证，以 确保所需要的设计寿命。 目前，在产品设计中