耦合焊接残余应力的横波可控震源振动器平板疲劳寿命预测

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.145

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (1): 102-111 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.145

可靠性与保质设计

耦合焊接残余应力的横波可控震源振动器平板疲劳寿命预测

陈振^1,^2,³(

),陈能鹏²(

),冉庆杰²,王乔木²,魏超成²,鞠浩文²

^1.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川成都 610500
^2.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
^3.石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台，四川成都 610500

Fatigue life prediction of sheer wave vibroseis vibrator baseplate coupled with welding residual stress

Zhen CHEN^1,^2,³(

),Nengpeng CHEN²(

),Qingjie RAN²,Qiaomu WANG²,Chaocheng WEI²,Haowen JU²

^1.Sichuan Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation, Chengdu 610500, China
^2.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^3.Petroleum and Natural Gas Equipment Technology, Sichuan Province Science and Technology Resource Sharing Service Platform, Chengdu 610500, China

全文: PDF(3889 KB) HTML

摘要：

振动器平板是耦合横波可控震源振动器与大地的关键媒介，而平板齿与平板的焊接部位在地震波激发工况下受力复杂，易发生疲劳失效，导致平板的使用寿命较低。针对传统结构疲劳寿命分析方法不考虑焊接残余应力的问题，采用等应变原理建立应力耦合准则，并对平板焊接焊缝危险部位开展焊接残余应力与工作载荷应力的耦合计算。随后，基于修正的S—N曲线和耦合应力谱，采用Miner准则分析平板在焊接残余应力与工作载荷应力耦合作用下的疲劳寿命。结果表明：在焊接残余应力与工作载荷应力的耦合作用下，平板发生疲劳破坏的工作寿命为8.69 a，与实际8 a工作寿命的相对误差为8.6%。耦合焊接残余应力的振动器平板疲劳寿命预测方法具有较高的精度和稳定性，可为横波可控震源的维护与优化提供新的思路与方法。

关键词： 横波可控震源; 振动器平板; 焊接残余应力; 工作载荷应力; 应力耦合; S—N曲线

Abstract:

Vibrator baseplate is the key medium for coupling shear wave vibroseis vibrator with earth, while the welding part of baseplate teeth and baseplate is prone to fatigue failure due to complex force under the condition of seismic wave excitation, which leads to low service life of baseplate. In view of the problem that the welding residual stress was not considered in the traditional structure fatigue life analysis method, the stress coupling criterion was established by using the equal strain principle, and the coupling calculation of welding residual stress and working load stress was carried out for the dangerous parts of the baseplate welding seam. Then, based on the modified S-N curve and coupled stress spectrum, the Miner criterion was used to analyze the fatigue life of baseplate under the coupling of welding residual stress and working load stress. The results showed that the fatigue failure life of the baseplate under the coupling of welding residual stress and working load stress was 8.69 a, and the relative error with the actual working life of 8 a was 8.6%. The fatigue life prediction method of vibrator baseplate coupled with welding residual stress has high accuracy and stability, which can provide a new idea and method for the maintenance and optimization of shear wave vibroseis.

Key words: sheer wave vibroseis vibrator baseplate welding residual stress working load stress stress coupling S-N curve

收稿日期: 2024-05-27 出版日期: 2025-03-04

CLC:

TH 14

基金资助: 四川省科技厅自然科学基金面上项目(2024NSFSC0094)

通讯作者: 陈能鹏 E-mail: 117976897@qq.com;2624134676@qq.com

作者简介: 陈　振（1985—），男，副教授，博士，从事机械装备结构可靠性及优化研究，E-mail: 117976897@qq.com

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引用本文:

陈振,陈能鹏,冉庆杰,王乔木,魏超成,鞠浩文. 耦合焊接残余应力的横波可控震源振动器平板疲劳寿命预测[J]. 工程设计学报, 2025, 32(1): 102-111.

Zhen CHEN,Nengpeng CHEN,Qingjie RAN,Qiaomu WANG,Chaocheng WEI,Haowen JU. Fatigue life prediction of sheer wave vibroseis vibrator baseplate coupled with welding residual stress[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(1): 102-111.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.145 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I1/102

图1 双椭球热源模型

参数	数值
$q f$ /(W·mm^-3)	44.0
$q r$ /(W·mm^-3)	36.7
$a f$ /mm	3
$a r$ /mm	6
b/mm	4
c/mm	2
Q/W	4 004

表1 双椭球热源模型参数

图2 振动器平板与平板齿的焊接热源模型

图3 振动器平板焊接模型及其网格划分

表2 焊接工艺参数

图4 振动器平板焊接残余应力场

图5 振动器平板沿焊接方向的焊接残余应力

图6 振动器平板-大地耦合模型网格划分

图7 振动器结构示意

图8 振动器平板所受载荷的变化曲线

图9 振动器平板载荷施加形式

图10 振动器平板打底焊缝处各危险节点的工作载荷应力

图11 振动器平板打底焊缝处XS3M节点的工作载荷应力

图12 振动器平板沿焊接方向的等效焊接残余应力

图13 振动器平板XS3M节点处耦合应力的变化曲线

参数	数值	来源
尺寸系数C_D	0.782	《抗疲劳设计手册》^[28]
表面状态系数β	0.850	表面加工工艺采用粗车加工
有效应力集中系数 $K f$	1.740	文献[29]中对应的材料应力集中系数确定方法

表3 振动器平板 S — N 曲线的修正参数

图14 修正前后振动器平板的 S — N 曲线

表4 各级应力水平下振动器平板的疲劳损伤量

表5 振动器平板各危险节点的疲劳寿命

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