圖 1 泵閥三維模型剖視圖
應用動力學理論分析處理碰撞、滑動接觸界面問題，得到錐角 45 °、7 #閥閥盤在閉合階段產(chǎn)生最大局部應力時的應力分布圖，如圖 2。
圖 2 閥盤應力分布圖
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力為 0.955×109Pa，從而可知泵閥錐面下端應力集中區(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 錐面下端應力集中區(qū)域受力形式
在脈動循環(huán)應力作用下，錐面下端應力集中區(qū)域更易形成疲勞裂紋，使泵閥的疲勞強度顯著降低，這一點與閥座失效的宏觀形貌中錐面下部發(fā)生嚴重塑性變形的現(xiàn)象完全吻合。可見，泵閥沖擊時應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體模型代替文獻中的二維平面模型，將各種類型動力載荷施加到結構模型的特定受載部分，模擬真實碰撞過程。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力解，并且對應力分布的方位有更加直觀的認識。
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鋼屬低合金中碳結構鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有可塑性好、疲勞強度高、缺口敏感性低、低溫沖擊韌性優(yōu)良等特性。力學性能見表1。
| σb/MPa | σ0.2/MPa | δs/％ | ψ％ |
|---|---|---|---|
1080 | 950 | 18.0 | 58.0 |
文獻給出了 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——疲勞強度系數(shù)；
b——疲勞強度指數(shù)或 Basquin 指數(shù)。
將實驗結果擬合得到 40Cr 鋼 S-N 曲線的 Basquin 方程為：
σa﹣1=2431×（2Nf）-0.0998 （2）
式中 σa﹣1——對稱循環(huán)疲勞載荷應力幅。
在對稱循環(huán)條件下：
σ-1=σa﹣1 （3）
式中 σ-1——對稱循環(huán)極限應力。
把式（3）代入式（2）得到 40Cr 鋼的對稱循環(huán)極限應力與該應力下發(fā)生疲勞破壞時的循環(huán)周次之間的關系式：
σ-1=2431×（2Nf）-0.0998 （4）
由式（4）可得 40Cr 鋼試樣條件疲勞極限壽命圖，如圖5所示。
