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(yùn)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(shí)際尺寸建立泵閥整體模型，省略密封圈，根據(jù)鉆并泵閥實(shí)際工況設(shè)置材料屬性及幾何約束條件，采用 8 結(jié)點(diǎn)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(qiáng)度顯著降低，這一點(diǎn)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?，泵閥沖擊時應(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(shí)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(shí)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。
2 泵閥材料的S-N曲線
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(qiáng)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(qiáng)度系數(shù)；
b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)或 Basquin 指數(shù)。
將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到 40Cr 鋼 S-N 曲線的 Basquin 方程為：
