支鵬鵬，馬韋華，韓 雄，李竹濱

（渤海裝備鉆井裝備能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，鉆桿接頭多軸疲勞失效逐漸成為導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)故障與機(jī)械設(shè)備損壞的重要原因之一。通過科學(xué)管理鉆桿接頭多軸疲勞問題，能夠顯著延長設(shè)備使用壽命，減少后期維護(hù)成本，對(duì)于進(jìn)一步提升投資回報(bào)率，維護(hù)安全生產(chǎn)都具有極其重要的作用。為了進(jìn)一步探討鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析的策略，下面介紹鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析的現(xiàn)狀。

1 鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析的現(xiàn)狀

鉆桿接頭多軸疲勞壽命較低與其自身結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。由于接頭本身幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加上長期處于單一疲勞載荷作用影響，因此實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變分布均為多軸應(yīng)力狀態(tài)。與此同時(shí)，各個(gè)載荷之間存在比例加載的關(guān)系。比例加載與非比例加載同時(shí)存在，進(jìn)一步增加滑移變形發(fā)生的概率?；谱冃伟l(fā)生時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)的變化，造成非比例強(qiáng)化。由此可見，采取合理的鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析方法，能夠?yàn)楣こ虒?shí)踐提供必要的理論數(shù)據(jù)支持。在多年的研究中，學(xué)者們通過各種不同類型的研究測(cè)試方法與模型構(gòu)建渠道，探索鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析。不但提出了鉆桿接頭多軸疲勞壽命的復(fù)雜性特征，同時(shí)也對(duì)其損傷描述的變量進(jìn)行了解析，包括載荷類型、載荷路徑以及使用的外部環(huán)境等。但是目前，鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析工作依然無法通過相對(duì)穩(wěn)定的模型構(gòu)建渠道，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析精準(zhǔn)無誤。除此之外，現(xiàn)階段的鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型都存在過分依賴模型常數(shù)與試驗(yàn)類型的情況。大多數(shù)的壽命分析方法都需要受到試驗(yàn)條件的限制與約束，個(gè)別情況下需要通過單軸疲勞試驗(yàn)來進(jìn)行測(cè)試。這顯然無法適應(yīng)鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析的多軸分析需要，給多軸疲勞分析測(cè)試工作帶來一定障礙。

2 鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型的構(gòu)建

2.1 基本分析思路

在鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型構(gòu)建過程中，可以參考模型建立經(jīng)驗(yàn)，選擇3 種不同的構(gòu)建方法，分別是等效應(yīng)力應(yīng)變法、能量法以及臨界平面法。過去，鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析測(cè)試方法應(yīng)用較多的是單軸疲勞應(yīng)力應(yīng)變分析方法。該方法可以通過疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞延性系數(shù)以及彈性模量等參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。能量法在現(xiàn)階段鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析中具有廣泛應(yīng)用，其主要來源于多軸疲勞損傷的判斷優(yōu)勢(shì)?？梢酝ㄟ^材料循環(huán)塑性變形以及應(yīng)變能作用關(guān)系來進(jìn)行數(shù)值的表征。

臨界平面法作為物理觀察技術(shù)方法之一，用于解決鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析問題。該模式目前已經(jīng)被學(xué)界證實(shí)是最為有效的處理方法。這是由于該處理方法能夠引入最大剪切面的應(yīng)力予以分析，對(duì)于損傷輔助控制參數(shù)具有很好的分析效果。另外，最大剪應(yīng)變幅以及應(yīng)變平面最大正應(yīng)力均可以在該測(cè)試方法中作為損傷控制參與予以表征。

最大剪應(yīng)變幅與應(yīng)變平面最大正應(yīng)力是控制參數(shù)不可或缺的組成部分，用來解決應(yīng)變模型無法直接進(jìn)行非比例循環(huán)硬化處理的問題，該問題主要依靠FS 模型的提出予以解決。針對(duì)拉伸裂紋，可以選擇正應(yīng)變變程作為主要技術(shù)參數(shù)，解決損傷控制參數(shù)以及材料常數(shù)問題。多軸疲勞壽命模型的構(gòu)建需要考慮到方程損傷參數(shù)、各載荷損傷參數(shù)等情況。構(gòu)造完成后還需要進(jìn)行損傷參數(shù)的分析，借助于單軸數(shù)據(jù)的多軸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)擬合來獲得最終答案。結(jié)合試驗(yàn)的損傷參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化判斷，可以獲得最終的誤差范圍值。

2.2 損傷參數(shù)的確定

確定損傷參數(shù)是鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析中最需要關(guān)注的問題。一般來說，疲勞裂紋的出現(xiàn)主要來源于材料內(nèi)部穩(wěn)定滑移帶，這個(gè)區(qū)域的局部塑形導(dǎo)致了區(qū)域變形。穩(wěn)定滑移帶出現(xiàn)局部形變后，其力的方向往往與最大剪應(yīng)變一致，可以通過該特征來進(jìn)行損傷參數(shù)的判斷。裂紋的生長過程本質(zhì)上就是裂紋尖端剪切發(fā)展的過程，因此在確定損傷參數(shù)時(shí)，也需要納入裂紋萌生控制的相關(guān)內(nèi)容。鈦合金材料試驗(yàn)壽命與最大剪切應(yīng)變幅存在一定的關(guān)系，最大剪切應(yīng)變幅可以直接作為多軸疲勞損傷的分析參數(shù)。在非比例載荷情況下，相同壽命條件下，可以用其對(duì)非比例載荷的損傷進(jìn)行描述。但是隨著相位差的變化，這種描述需要添加損傷系數(shù)予以修正，否則無法表征出線性的損傷關(guān)系。除此之外，根據(jù)研究的結(jié)果來看，裂紋面法向應(yīng)力也會(huì)隨著加速裂紋的擴(kuò)展而持續(xù)擴(kuò)展，這與此前學(xué)界的研究成果基本吻合?？紤]到構(gòu)造損傷參數(shù)對(duì)法向應(yīng)力與應(yīng)變值的影響，需要做好多軸疲勞損傷控制參數(shù)的管理。該模型以最大正應(yīng)變及最大正應(yīng)變平面應(yīng)力數(shù)值乘積作為判斷損傷的主要依據(jù)。

3 鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型正確性檢驗(yàn)

3.1 鈦合金材料

為進(jìn)一步對(duì)鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型的構(gòu)建效果進(jìn)行正確性驗(yàn)證，需要選擇合適的驗(yàn)證方法。本次研究針對(duì)設(shè)備材料的多軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選擇鈦合金材料予以驗(yàn)證。不同類型的鈦合金材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 不同類型鈦合金材料力學(xué)性能

本次試驗(yàn)主要通過試驗(yàn)機(jī)MTS 802 完成，具體加載過程中選擇載荷控制加載模式，對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整后采取不同類型的拉扭相位差分別計(jì)算，應(yīng)在不同類型的相位差下進(jìn)行應(yīng)力水平試驗(yàn)。其中，應(yīng)力水平的有效值應(yīng)保持一致。觀察鈦合金空心棒不同類型載荷條件下裂紋拓展特征后，采取油筆標(biāo)記的方法對(duì)試樣表面進(jìn)行記錄。選擇0.5 比例的方式對(duì)非比例載荷、比例載荷的損傷差異進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整到合適范疇內(nèi)，結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算損傷參數(shù)。這個(gè)過程需要注意選擇損傷參數(shù)計(jì)算法，采取優(yōu)化算法的方式進(jìn)一步驗(yàn)算。由于本分析模型主要考慮到疲勞壽命與試驗(yàn)壽命的對(duì)比關(guān)系，因此預(yù)測(cè)的結(jié)果應(yīng)該處于2 倍分散帶之內(nèi)，方可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 其他類型材料

為進(jìn)一步驗(yàn)證鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型的可靠性，還需要對(duì)其他類型的材料進(jìn)行多軸疲勞壽命的測(cè)試分析。本次研究選取另外兩種合金類型，分別是純鈦合金以及BT9 合金。對(duì)兩種材料的基本力學(xué)性能查表后，施加相應(yīng)的載荷予以分析。根據(jù)測(cè)試分析的情況來看，BT9 合金疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和純鈦合金的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接獲取。對(duì)多疲勞加載路徑下的非比例、比例載荷進(jìn)行對(duì)比?？梢赃M(jìn)一步計(jì)算出損傷參數(shù)，并且通過模型預(yù)測(cè)的疲勞壽命進(jìn)行多軸疲勞壽命的預(yù)測(cè)分析，要求兩者的關(guān)系處于2 倍分散帶內(nèi)。在進(jìn)行其他材料鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型驗(yàn)證時(shí)，要考慮到構(gòu)造損傷參數(shù)以及數(shù)據(jù)擬合求解的相關(guān)內(nèi)容。在構(gòu)造損傷參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)該避免多個(gè)不同類型設(shè)置影響整體分析效果的問題。理論上，只需要保持在測(cè)試過程中量綱穩(wěn)定，那么就可以在很大程度上反映出多軸疲勞損傷的物理量，也可以通過任意組合的方式來解決損傷參數(shù)構(gòu)造限制的約束條件。在本次試驗(yàn)中，提出了鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型的構(gòu)建思路，同時(shí)也對(duì)單軸拉壓扭轉(zhuǎn)等方面的試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析探討。由于試驗(yàn)類型較多，針對(duì)的材料差異也較大，因此最終的鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型構(gòu)建精度還需要考慮到多個(gè)方面的因素影響，對(duì)其進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證才能夠獲得最終的測(cè)試分析結(jié)果。

4 總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)階段鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析模型的構(gòu)建情況來看，構(gòu)建多軸疲勞壽命分析需要考慮到最大剪應(yīng)變幅與平面法向應(yīng)力的影響。通過這兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)來構(gòu)建多軸疲勞損傷參數(shù)，能夠更好完成鉆桿接頭多軸疲勞壽命的表征工作。在選擇鈦合金材料進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，其針對(duì)性更強(qiáng)，也會(huì)相應(yīng)提升最終數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。根據(jù)本次測(cè)試分析研究的結(jié)果來看，鉆桿接頭多軸疲勞壽命分析的測(cè)試方法是可行的，能夠有效降低多軸損傷參數(shù)的構(gòu)造分析誤差，提升測(cè)試精準(zhǔn)度，滿足工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐操作要求。