CN111207993A - 一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法 - Google Patents

一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法 Download PDF

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王滈藤
刘毅
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张志强
陈蕴生
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Abstract

本发明公开了一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于不同加载条件下的盐岩疲劳试验，确认试验加载速率、加载频率、应力幅值，进而计算每个周期的稳定能量耗散；步骤2、根据步骤1得到的每个周期的稳定能量耗散，建立每个周期的稳定能量耗散与盐岩的疲劳寿命关系；步骤3、计算盐岩的疲劳寿命。本发明解决了现有技术中存在的盐岩疲劳寿命预测方法可靠性、科学性、准确性无法得到保证的问题。

Description

一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明属于地下油气能源储存工程技术领域，具体涉及一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法。
背景技术
盐岩是能源工程中的一种天然材料，因其具有强度低，变形大的力学特性以及密封性和稳定性的物理特性，一直被作为废料处理和油气储存的有利介质。研究的盐岩疲劳寿命对于解决实际工程中盐岩类永久性储存库的合理设计，长期稳定性分析，估算储气设施的疲劳寿命等重大问题来说至关重要。目前，研究盐岩疲劳破坏的最常见两种方法：一是S-N方法，二是损伤理论。S-N法是利用大量疲劳试验的疲劳寿命数据，通过回归分析建立了S-N曲线的典型经验模型，从而预测疲劳材料寿命。然而，S-N法却忽略了盐岩性质的离散性和破坏行为这两条重要特性。所以S-N法预测盐岩疲劳寿命的可靠性、科学性、准确性无法得到保证。损伤理论利用多个变量来描述材料的损伤，然后建立相应的损伤演化模型和本构关系。基于多变量因素的损伤理论提出结果与实际结果偏差较大。因此，寻求盐岩疲劳寿命预测新方法就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，解决了现有技术中存在的盐岩疲劳寿命预测方法可靠性、科学性、准确性无法得到保证的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于不同加载条件下的盐岩疲劳试验，确认试验加载速率、加载频率、应力幅值，进而计算每个周期的稳定能量耗散；
步骤2、根据步骤1得到的每个周期的稳定能量耗散，建立每个周期的稳定能量耗散与盐岩的疲劳寿命关系；
步骤3、计算盐岩的疲劳寿命。
本发明的特点还在于，
步骤1每个周期的稳定能量耗散具体计算如下：
wd＝c(μν)a exp[b(A-σ3)] (1)
其中，wd表示每个周期的稳定能量耗散，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，a、b、c均为无量纲常数项，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压。
步骤2中岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系用ξ表示，具体如下：
Figure BDA0002368641240000021
其中，Nf是疲劳寿命，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，ξ为常数，表示岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系，wd表示每个周期的稳定能量耗散。
岩石疲劳破坏时累积耗散能Wf均匀分布在226和241kJ/m3之间。
步骤3中盐岩的疲劳寿命Nf计算公式具体如下：
Figure BDA0002368641240000031
其中，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，由公式(3)得：
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为277～299；
当μ·ν＝1且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为132～138；
当μ·ν＝2且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为55～68；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为125～133；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝30时，盐岩的疲劳寿命Nf为57～64；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝45时，盐岩的疲劳寿命Nf为42～53；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝60时，盐岩的疲劳寿命Nf为17～25。
a＝1.0012，b＝0.047和c＝0.576。
本发明的有益效果是，一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，直接应用于盐岩的疲劳寿命计算，该方法仅需手工计算，计算过程简单，在不采用经验修正系数情况下，仍具有较高的计算精度。采用本发明方法计算参数仅需试验加载条件，如加载速率，加载频率，应力幅值等。无需传统方法般进行耗时疲劳试验，然后通过复杂的理论推导，才能建立相应模型预测盐岩疲劳寿命。本发明方法简单快捷，节约成本，精确度高，应用前景广阔。
附图说明
图1是盐岩疲劳试验测试结果与预测结果图；
图2是每个周期的能量耗散与不同的施加载荷条件关系图：(a)是每个周期的能量耗散与应力幅值关系图；(b)是每个周期的能量耗散与频率关系图；(c)是每个周期的能量耗散与加载速率关系图；(d)是每个周期的能量耗散与围压关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明所采用的技术方案是，一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于不同加载条件下的盐岩疲劳试验，确认试验加载速率、加载频率、应力幅值，进而计算每个周期的稳定能量耗散；
步骤1每个周期的稳定能量耗散具体计算如下：
wd＝c(μν)a exp[b(A-σ3)] (1)
其中，wd表示每个周期的稳定能量耗散，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，a、b、c均为无量纲常数项，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压。
步骤2、根据步骤1得到的每个周期的稳定能量耗散，建立每个周期的稳定能量耗散与盐岩的疲劳寿命关系：
步骤2中岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系用ξ表示，具体如下：
Figure BDA0002368641240000041
其中，Nf是疲劳寿命，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，ξ为常数，表示岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系，wd表示每个周期的稳定能量耗散。
岩石疲劳破坏时累积耗散能Wf均匀分布在226和241kJ/m3之间。
步骤3、计算盐岩的疲劳寿命：
步骤3中盐岩的疲劳寿命Nf计算公式具体如下：
Figure BDA0002368641240000051
其中，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，由公式(3)得：
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为277～299；
当μ·ν＝1且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为132～138；
当μ·ν＝2且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为55～68；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为125～133；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝30时，盐岩的疲劳寿命Nf为57～64；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝45时，盐岩的疲劳寿命Nf为42～53；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝60时，盐岩的疲劳寿命Nf为17～25。
a＝1.0012，b＝0.047和c＝0.576。
实施例
本实施例以岩盐的疲劳试验为例来阐述本发明。
(1)盐岩疲劳试验状况
本实验中的盐岩样品取自中国陕西省地区的一个盐矿。盐岩具有很高的纯度(NaCl和Na2SO4)，并带有K2SO3斑点。试验样品为直径50毫米，长度100毫米的标准圆柱体。试验仪器为西安理工大学岩土所WDT-1500多功能材料试验机，测试系统上的负载能力1500kN，围压能力80MPa和频率容量为10Hz。
为了调查加载频率，加载速率，约束压力和应力振幅对岩盐疲劳寿命行为的影响，进行了四种疲劳试验方案：不同的加载频率(0.5、1、2和4Hz)；不同的加载速率(0.5，1，2，4和8kN/s)；不同的应力幅度(7.64，15.2，30.57、45.86和61.15MPa)和不同的约束压力(1、5和8MPa)。
(2)每个周期的稳定能量耗散具体计算
基于不同加载条件下的盐岩疲劳试验，确认试验加载速率、加载频率、应力幅值、围压进而计算每个周期的稳定能量耗散，发现每个周期的稳定能量耗散随试验加载速率、加载频率、应力幅值、围压的不同而变化(如图2)。每个周期的稳定能量耗散与应力幅值呈幂函数关系(图2a)，与加载速率、加载频率呈线性关系且随着加载速率(加载频率)的增加每个周期的稳定能量耗散增加(图2b和2c)；与围压呈线性关系且随着围压的增加每个周期的稳定能量耗散减小(图2d)。综合考虑不同的施加载荷条件下，每个周期的能量耗散具体计算如下：
wd＝c(μν)a exp[b(A-σ3)] (1)
(3)建立每个周期的稳定能量耗散与盐岩的疲劳寿命关系
一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述岩石疲劳破坏时累积耗散能Wf均匀分布在226和241kJ/m3之间，并且Wf与加载条件之间无关，建立岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系：
Figure BDA0002368641240000061
(4)盐岩的疲劳寿命的计算
结合公式(1)和(2)，得到盐岩的具体计算方法：
Figure BDA0002368641240000071
图1是盐岩疲劳试验测试结果与预测结果图。其中黑色圆点为疲劳试验测试结果，曲线则是基于能量耗散方法预测的结果，可以看出预测结果与盐岩疲劳试验测试结果吻合度高，能有效验证本方法的可靠性。图2是不同加载速率、加载频率、应力幅值、围压条件下的盐岩疲劳试验，曲线是计算结果，可以看出在不同加载速率、加载频率、应力幅值、围压条件下烦人每个周期的稳定能量耗散与试验结果吻合度高。与疲劳试验相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种原理简单、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于确定岩盐的疲劳寿命。

Claims (6)

1.一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于不同加载条件下的盐岩疲劳试验，确认试验加载速率、加载频率、应力幅值，进而计算每个周期的稳定能量耗散；
步骤2、根据步骤1得到的每个周期的稳定能量耗散，建立每个周期的稳定能量耗散与盐岩的疲劳寿命关系；
步骤3、计算盐岩的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1每个周期的稳定能量耗散具体计算如下：
wd＝c(μν)aexp[b(A-σ3)] (1)
其中，wd表示每个周期的稳定能量耗散，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，a、b、c均为无量纲常数项，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压。
3.根据权利要求2所述的一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系用ξ表示，具体如下：
Figure FDA0002368641230000011
其中，Nf是疲劳寿命，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，ξ为常数，表示岩石疲劳破坏时累积耗散能与盐岩的疲劳寿命关系，wd表示每个周期的稳定能量耗散。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述岩石疲劳破坏时累积耗散能Wf均匀分布在226和241kJ/m3之间。
5.根据权利要求3所述的一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3中盐岩的疲劳寿命Nf计算公式具体如下：
Figure FDA0002368641230000021
其中，μ表示以kN/s为单位的加载速率，v是以Hz为单位的加载频率，A是以MPa为单位的应力振幅，σ3为疲劳试验时盐岩受到的围压，Wf表示岩石疲劳破坏时累积耗散能，即盐岩试样发生疲劳断裂时的累积耗散能量，由公式(3)得：
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为277～299；
当μ·ν＝1且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为132～138；
当μ·ν＝2且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为55～68；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝15时，盐岩的疲劳寿命Nf为125～133；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝30时，盐岩的疲劳寿命Nf为57～64；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝45时，盐岩的疲劳寿命Nf为42～53；
当μ·ν＝0.5且A-σ3＝60时，盐岩的疲劳寿命Nf为17～25。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量耗散的盐岩疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述a＝1.0012，b＝0.047和c＝0.576。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2423664A2 (en) * 2010-08-26 2012-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Fatigue life estimation method and system
CN109614715A (zh) * 2018-12-13 2019-04-12 电子科技大学 一种多轴载荷作用下考虑缺口效应的能量场强法及其应用
CN110018049A (zh) * 2019-04-24 2019-07-16 长沙理工大学 一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法
CN110274826A (zh) * 2019-07-17 2019-09-24 北京航空航天大学 一种基于单轴疲劳s-n曲线的硬质金属材料多轴高周疲劳失效预测方法
CN110580370A (zh) * 2019-03-13 2019-12-17 大连交通大学 一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2423664A2 (en) * 2010-08-26 2012-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Fatigue life estimation method and system
CN109614715A (zh) * 2018-12-13 2019-04-12 电子科技大学 一种多轴载荷作用下考虑缺口效应的能量场强法及其应用
CN110580370A (zh) * 2019-03-13 2019-12-17 大连交通大学 一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法
CN110018049A (zh) * 2019-04-24 2019-07-16 长沙理工大学 一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法
CN110274826A (zh) * 2019-07-17 2019-09-24 北京航空航天大学 一种基于单轴疲劳s-n曲线的硬质金属材料多轴高周疲劳失效预测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HE, MINGMING等: "Energy Dissipation-Based Method for Fatigue Life Prediction of Rock Salt", 《ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING》 *
任建喜等: "单轴压缩岩石疲劳寿命影响因素试验分析", 《岩土工程学报》 *
戴婷: "应力和加载频率对疲劳寿命的影响1", 《广州化学》 *

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