基于有限元方法的压裂泵连杆疲劳强度分析

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－５０９Ｘ．２０１６．１０．００８

基于有限元方法的压裂泵连杆疲劳强度分析

叶　松１

，胡　月１

，单东升２

，高　媛

１

（１．大连理工大学机械工程学院，辽宁大连　１１６０２４）

（２．北方重工集团有限公司，辽宁沈阳　１１０１４１）

摘要：压裂泵连杆在工作过程中受到复杂的交变载荷作用，为防止发生疲劳破坏，对压裂泵连杆

疲劳强度进行分析。首先建立五缸压裂泵连杆装配组件有限元模型，然后在考虑过盈配合及联结螺栓预紧力装配条件的情况下，对连杆的几种极限工况进行静力有限元分析，获得连杆在各工况下的应力应变，接着将各工况静力分析结果导入疲劳分析软件ＦＥ－ＳＡＦＥ中，从而确定疲劳载荷谱，并以此计算连杆疲劳寿命及疲劳安全系数，对连杆疲劳寿命进行定量分析。结果表明，压裂泵连杆疲劳寿命及疲劳强度满足设计要求。

关键词：压裂泵；连杆；疲劳强度；有限元分析；ＦＥ－ＳＡＦＥ中图分类号：ＴＥ９３４．２０２ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５－５０９Ｘ（２０１６）１０－００４５－０４ 压裂泵连杆是压裂泵动力端的重要组成部件。工作过程中，连杆主要承受装配载荷（连杆大小孔与轴瓦和衬套的过盈配合及联结螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括液体高压压力及惯性力）的作用。交变载荷产生的交变应力会使连杆发生弹塑性变形，导致疲劳破坏，故对连杆进行疲劳强度分析是压裂泵设计工作的关键部分。目前已有学者忽略连杆装配组件，基于简化力学模型对压裂泵连杆进行有限元强度分析，并采用经典疲劳强度理论

对连杆疲劳强度进行校核［１］

。本文依据连杆实际工作情况，考虑连杆两端与轴瓦和衬套的过盈配合及联结螺栓预紧力，建立连杆有限元精确受力模型，通过静力分析，得到连杆在一个工作周期内的应力、应变随时间变化过程，进而采用专业疲劳分析软件ＦＥ－ＳＡＦＥ对连杆进行疲劳寿命计算。

１　连杆有限元静力分析

１．１　有限元模型建立

［２］

基于装配结构，建立曲轴曲拐、轴瓦、连杆大端上下轴承座、联结螺栓、连杆体、连杆小端衬套以及活塞销组成的连杆组件装配三维实体模型。连杆是本文分析研究的主要对象，需对其进行精确建模，保留油孔、圆角等所有几何特征。对于其他连杆组件，根据刚度等效原则建立适当简化模型。

建立图１所示连杆装配组件有限元计算模型，

单元类型采用四面体空间实体Ｓｏｌｉｄ１８７单元，并对连杆大小端与杆身过渡处、连杆轴承座组合面、螺

栓联结部分及各组件接触部分进行局部网格细化。

图１　连杆装配组件有限元模型

用面面接触单元模拟曲柄与轴瓦、连杆轴承座

与轴瓦、连杆轴承座接触面、连杆轴承座与杆身、活塞销与小孔衬套、小孔衬套与连杆小孔之间的接触作用。

螺纹副连接属于复杂的非线性问题，对其结合面采用图２所示的等效处理方法：１）螺钉与连接件之间采用绑定接触简化螺纹副连接；２）连接件和被连接件之间的结合面为接触面，螺钉与被连接件之间的结合面为接触面，通过建立接触对进行模拟；３）对螺钉建立预紧单元并施加预紧力模拟螺钉预紧效果。

收稿日期：２０１６－０３－２３

基金项目：辽宁省科技创新重大专项（２０１３０３００３）

作者简介：叶松（１９９０—），男，安徽安庆人，大连理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计。

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５４?２０１６年１０月 机械设计与制造工程 Ｏｃｔ．２０１６第４５卷第１０期 ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．１０万方数据