基于ANSYS的PDC钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析_唐胜利.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-10-09 作者简介 唐胜利（1963），男，四川仁寿人，硕士，教授，从事钻探技术研究. E-mail812157317 引用格式 唐胜利，杨亮，孙利海. 基于 ANSYS 的 PDC 钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析［J］. 煤田地质与勘 探，2015，43（1）104-108. 文章编号 1001-1986（2015）01-0104-05 基于 ANSYS 的 PDC 钻头钎焊裂纹应力场和 应力强度因子分析 唐胜利，杨 亮，孙利海 （西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054） 摘要 金刚石复合片（PDC）钻头钎焊裂纹尖端两侧临近界面处应力高度集中，是导致其断裂失效的主 要原因。基于 ANSYS 对 PDC 钻头钎焊裂纹进行数值模拟，针对焊缝裂纹形状、厚度、位置的不同， 能对裂纹尖端应力场等值线图及应力强度因子进行数值计算。借助这一计算 PDC 焊缝裂纹应力强度 因子的新方法， 阐述了 PDC 断裂失效机理， 用以指导钻头焊接工艺， 稳定和提高 PDC 钻头焊接质量。 关 键 词ANSYS；PDC；钎焊裂纹；应力强度因子 中图分类号TE421 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.022 ANSYS-based analysis on stress field and stress intensity factor of brazing seam in PDC bits TANG Shengli， YANG Liang， SUN Lihai （College of Geology Environments， Xian University of Science Technology， Xian 710054， China） Abstract Highly concentrated stress near the interface on both sides of brazing seam tip is the main reason for fracture failure of polycrystalline diamond compact （PDC） bits. On the basis of ANSYS， numeric simulation was conducted for brazing crack of PDC bit. Aiming at different shape， thickness and position of brazing seam， stress field contours and stress intensity factors were calculated at the tip of cracks. With aide of this new for calculation of stress intensity factor， the paper described the mechanism of PDC fracture failure to guide the weld- ing process， stabilize and improve the quality of welding PDC bits. Key words ANSYS； PDC； brazing crack； stress intensity factor 金刚石复合片（PDC）钻头在软到较硬岩层中有 着卓越的钻进性能，得到大力推广。然而大量现场 钻进结果表明，90％以上 PDC 钻头均因崩齿、掉 片等非正常形式的失效而报废。 影响 PDC 钻头失 效的原因很多，其中最主要的影响因素是 PDC 钻 头的焊接强度。焊缝裂纹的存在大大降低了钻头的 焊接强度。前人的研究过程和结论都侧重于对焊接 过程和焊接工艺的研究［1-5］，但对于焊缝裂纹的研究 还很少见。鉴此，本文采用有限元软件 ANSYS 对 焊缝裂纹形状、大小和位置及其应力场分布规律和 应力强度因子的大小进行分析，用以指导钻头焊接 工艺，稳定和提高 PDC 钻头焊接质量。 1 物理模型建立及仿真分析 对 PDC 进行物理模型的建立和网格的划分， 在 ANSYS 中按 11 比例模型建立焊接试件立体 模型，如图 1a 所示。为计算简便、减少单元数量， 利用对称的方法简化为平面模型，如图 1b 所示。 PDC 和 45 钢模型的尺寸大小依据常见的矿井用 PDC 钻头的尺寸。其中钢体尺寸为 Φ14.3 mm8 mm， PDC 复合片尺寸为 Φ14.3 mm4.5 mm，焊缝裂纹尺 寸为 Φ13.3 mm0.5 mm。 在查阅大量资料的基础上， 采用的 PDC 硬质合金基底、45 钢、银基钎料的热 物理性能参数如表 1 所示。 有限元单元选用 ANSYS 单元库中的 PLANE82 单元，可以用直接法进行应 力强度因子的计算［6］。 PDC 切削齿受力主要有切向力 Ft和轴向力 Fa， 切向力与齿的运动方向相反，轴向力与切向力垂直。 参考张晓亮、梁尔国等前人的研究成果［7-8］，根据实际 情况模拟中钻压取 10 kN ，转速取 200 r/min，，功率取 ChaoXing 第 1 期 唐胜利等 基于 ANSYS 的 PDC 钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析 105 1PDC；2焊缝；345 钢 图 1 PDC 复合片物理模型 Fig.1 PDC physical model 表 1 有限元模型材料力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of materials of finite element model 材料 弹性模量/GPa 泊松比 45钢 210 0.26 硬质合金 540 0.28 银基钎料 100 0.35 15 kW， 初步切向力 Ft和轴向力 Fa分别取 4 650 N 和 150 N。 1.1 裂纹应力场分布规律在 ANSYS 中求解［9］ 通过前处理在 ANSYS 中建立 PDC 模型， 加载 切向应力和轴向应力作用； 通过后处理得出焊缝裂 纹附近应力场分布规律，做出 von Mises 等效应力 等值线图。 1.2 裂纹应力强度因子在 ANSYS 中求解 20世纪 50年代， Irwin提出在表征外力作用下， 使用应力强度因子作为弹性物体裂纹尖端附近应 力强度的一个参量。 建立以应力强度因子为参量的 裂纹扩展准则应力强度因子准则（亦称 K 准 则）。即裂纹扩展的临界条件为 KIKIc，其中 KI为 应力强度因子，KIc为材料的临界应力强度因子， 可由实验测定［10］。 在 ANSYS 模拟裂纹中最重要的区域是裂纹边 缘部位。通常将二维模型的裂纹尖端作为裂纹的边 缘，采用命令 KSCON 设置奇异单元来模拟裂纹尖 端的应力和应变的奇异性（把单元边上的中点放到 1/4 边上）。在此次模拟中 ANSYS 采用 1/4 节点处 理裂纹尖端奇异性的方法可以精确地计算应力强 度因子［11］。 2 裂纹大小对应力场分布和应力强度因子的影响 2.1 焊缝网格模型 焊缝裂缝网格模型如图 2 所示，模拟了直径分 别为 Φ0.1mm、 Φ0.55 mm、 Φ1 mm 的中心圆形裂纹。 2.2 结果与分析 利用 ANSYS 的通用后处理器 POST1 对计算结 果进行分析，可得到不同尺寸大小的焊缝裂纹的 von Mises 应力分布等值线图和裂纹尖端应力强度因子， 如图 3 所示。 从图 3 可以看出，PDC 复合片在 8 kN 轴向应 力和 0.5 kN 切削力的作用下裂纹尖端出现应力集 中。 PDC 最大应力集中分布在裂缝两侧临近界面处， 高达 15 kN 以上。 该集中应力使得 PCD 层在远低于 焊接强度的情况下与硬质合金衬底之间脱层从而导 图 2 不同尺寸裂纹网格模型 Fig.2 Crack mesh models of different sizes ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 3 不同尺寸裂纹应力场分布 Fig.3 Crack stress field distribution of different sizes 致 PDC 复合片断裂失效。 而离界面较远的地方应力 相对较小，分布相对比较均匀。可以看出，焊缝裂纹 尖端应力集中是局部的， 离开焊缝裂纹尖端稍远处， 应力分布又趋于正常。 从表 2 中可以看出，Φ0.5 mm 和 Φ1 mm 的裂 纹应力强度因子比较接近。反映了 Φ0.1 mm 裂纹 的应力强度因子非常小，远低于其他两种尺寸的 应力强度因子，并且在在硬质合金基底、焊缝、 45 钢三种材料中得到一致的规律。在钎焊时应采取 措施尽可能避免大直径裂纹存在。 当然要使 PDC 复 合片钎焊时没有任何裂纹是不可能，在钎焊过程中 总是不可避免的存在着不同大小的裂纹，过小的裂 纹对 PDC 片强度影响不大。因此在正常钻进情况 下，焊缝最大容许裂纹的尺寸有待进一步研究。 3 裂纹位置对应力场分布规律和应力强度因子 的影响 3.1 焊缝网格模型 焊缝网格模型如图 4 所示， 分别是位于 PDC 片 端点、1/4 处、中心处的裂纹模型。 3.2 结果与分析 利用有限元软件 ANSYS 模拟分析不同位置的 焊缝裂纹 von Mises 应力分布等值线图和裂纹尖端 应力强度因子，分别如表 2 和图 5 所示。 图 4 不同位置裂纹网格模型 Fig.4 Crack mesh at different position ChaoXing 第 1 期 唐胜利等 基于 ANSYS 的 PDC 钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析 107 表 2 裂纹尖端附近应力强度因子 Table 2 Stress intensity factors near crack tip 裂纹类型 材料类型 平均值 裂纹类型 材料类型 平均值 裂纹类型 材料类型 平均值 45钢 0.15 45钢 1.12 45钢 9.49 硬质合金基底 0.30 硬质合金基底 2.84 硬质合金基底 24.59 Φ0.1 银基焊缝 0.43 端点处裂纹 银基焊缝 0.92 尖锐裂纹 银基焊缝 5.16 45钢 9.67 45钢 7.50 45钢 4.98 硬质合金基底 25.07 硬质合金基底 19.41 硬质合金基底 12.87 Φ0.5 银基焊缝 5.25 1/4裂纹 银基焊缝 4.15 三角形裂纹 银基焊缝 2.88 45钢 15.22 45钢 9.67 45钢 12.16 硬质合金基底 39.52 硬质合金基底 25.07 硬质合金基底 31.62 Φ1 银基焊缝 8.06 中心处裂纹 银基焊缝 5.25 圆形裂纹 银基焊缝 6.15 图 5 不同位置焊缝裂纹应力场分布等值线图 Fig.5 Contours of stress field of brazing cracks at different position 从图 5 可以看出，裂纹尖端应力集中程度与裂 纹所处位置有密切联系。随着裂纹逐渐从焊缝两端 向中心移动裂纹尖端应力有增大的趋势。其中焊缝 中心裂纹两侧临近界面处出现最大应力集中，高达 15 615 N，端点处裂纹最大应力为 11 899 N。 从表 2 可看出，随着裂纹逐渐向中心移动裂纹 尖端应力强度因子有增大的趋势，与裂纹应力集中 程度有相同变化趋势。裂纹在硬质合金基底、焊缝、 45 钢处的应力强度因子平均值分别为 25.070 290、 5.248 957、9.669 614。端点处裂纹应力强度因子总 体相对较小，因此在钎焊时应采取措施尽可能避免 中心裂纹存在。 4 裂纹尖端形状对应力场分布规律和应力强度 因子的影响 4.1 焊缝网格模型 焊缝网格模型如图 6 所示，分别模拟了尖锐裂 纹、三角形裂纹、圆形裂纹。 4.2 结果与分析 利用有限元软件 ANSYS 模拟分析不同尖锐程 度的焊缝裂纹 von Mises 应力分布等值线图和裂纹 尖端应力强度因子，分别如图 7 和表 2 所示。 从图 7 中可以看出，尖锐裂纹的应力集中程度 最大，三角形裂纹应力集中程度次之，圆形裂纹的 应力集中程度最小，反映了焊缝裂纹尖端区域应力 集中的程度与裂纹的尖锐程度有关。焊缝裂纹越尖 锐，应力集中的程度越高。这种过高的应力集中必 然导致材料的 PDC 复合片断裂强度远低于其理论 的断裂强度。 表2 可以看出， 应力强度因子与裂纹的尖锐程度有 密切联系。裂纹越尖锐应力强度因子越大，尖锐裂纹应 力强度因子远大于圆形裂纹的应力强度因子， 并且在45 钢、硬质合金基底、银基焊缝 3 种材料中都吻合。 5 结 论 a. 裂纹应力集中是导致 PDC 断裂失效的主 ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 6 不同形状裂纹网格模型 Fig.6 Mesh models of cracks of different shapes 图 7 不同形状焊缝裂纹应力场分布等值线图 Fig.7 Contours of stress field of brazing cracks of different shape 要原因。焊缝裂纹尖端临近界面处应力高度集中， 而离界面较远的地方应力相对较小，分布相对比较 均匀。 b. 焊缝裂纹尺寸对应力场和应力强度因子有 影响。随着裂纹尺寸的增大，应力集中程度和应力 强度因子有增大的趋势。 c. 随着裂纹从焊缝两端向中心移动，裂纹的尖 端应力和应力强度因子增加。 d. 焊缝裂纹越尖锐，裂纹尖端应力越集中，应 力强度因子也越大。 参考文献 ［1］ 龙伟民，乔培新，丁天然，等. 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