随着页岩油气、致密油气、煤层气等非常规油气田开采难度逐渐日益增大,在勘探过程中面临着诸多的难题挑战,压裂泵作为油气田开采设备中的“心脏”是重要支撑硬件。然而随着开采环境和工况种类逐渐复杂,水力压裂装备的发展趋势是超高压、大排量。在油气井组的大型水力压裂施工中,泵头体容易疲劳开裂导致失效,影响压裂作业效果,对设备和人员造成安全威胁。疲劳断裂破坏是超高压泵头体的主要失效原因之一,是结构强度、疲劳与断裂研究的前沿、热点和难点,至今尚未有效解决。鉴于工作环境复杂,现有的泵头体疲劳寿命预估方法难以与实际工况紧密结合。此外,根据现场失效数据和台架试验统计,同种型号的泵头体疲劳寿命具有较强的分散性。因此,迫切的需要建立可靠的泵头体疲劳寿命预测数学模型。总体上看,目前压裂泵头体疲劳寿命低下及其预估方法研究体系还不完善,亟需分析压裂泵头体复杂内腔疲劳开裂的失效机理,建立压裂泵头体疲劳寿命预估模型,在此基础上才能为泵头体疲劳寿命提高或结构改进进行后续的研究工作。本文以压裂泵头体内腔结构模型为研究对象,围绕“新改进应力场强法、P-S-N曲线拟合新方法、新型疲劳损伤累积模型”三个方面,展开基础性试验、理论分析、数值模拟三种方式的研究,获得各种因素对泵头体疲劳寿命的影响规律和建立系统的疲劳寿命预估体系,从而为油气田工程应用中泵头体疲劳寿命提高和结构改进提供有效方法。本文的主要研究内容和成果如下:(1)首先基于国标GB/T 3075-1982和GB/T 3075-2008进行了三种泵头体材料的试样设计及力学性能测试和疲劳性能测试,并基于GB/T 24176-2009对测试的试验数据进行了统计和分析,拟合得到了三种泵头体材料的S-N曲线。在此基础上,进一步研究缩小成本、节省时间的疲劳性能测试方法,基于“概率分位点一致性原理”提出了一种新的K值(搜索待定系数)搜索方法和标准差确定方法,结合matlab编制了K值搜索的插件程序,最后建立了一种小样本数据拟合P-S-N曲线的方法,将该方法和成组法拟合的P-S-N曲线进行对比和验证,结果表明新方法误差在可接受范围,是一种节省人力物力可靠性高的小样本测试方法。(2)基于传统名义应力法各影响因素,首先对缺口效应进行了研究,针对理论应力集中系数和疲劳缺口系数的理论计算公式进行了分析,初步得到了峰值应力不是疲劳失效的唯一因素且疲劳失效与内层晶粒尺寸相关;其次针对应力梯度效应进行了研究,针对几种典型缺口件的相对应力梯度计算公式进行了总结和验证;对表面加工系数的影响进行了分析,设计并加工了疲劳试样并进行了激光冲击强化,试验结果表明零件的表面粗糙度是影响疲劳寿命的关键因素,也验证了疲劳裂纹的萌生机制和初步判断疲劳失效机理;对尺寸效应的计算公式进行了总结,并综合修正了传统名义应力法各类因素的影响系数得到了综合修正系数,将名义应力法应用到超高压泵头体疲劳寿命预估,结果表明预估寿命与实际寿命的误差在3倍分散带以内,验证了名义应力法在考虑疲劳失效机制仅仅只是认为峰值应力的作用是不够的,各类因素的分析也为应力场强法可能更适合泵头体的高周疲劳寿命预估奠定基础;(3)基于Neuber、Lazzarin和Filippi的缺口应力场方程,对已被本领域学者广泛认可的应力场方程(Glinka、Kujawski、Shin、Xu、Chen、Pan、Creager和Paris)进行了推导和总结,设计并建立了四种缺口张角γ=60°、45°、30°、0°,六种缺口半径(即ρ=0.015、0.03、0.05、0.1、0.15和0.25毫米)组合的24种三维有限元模型,运用数值分析方法计算了缺口根部角平分线处的最大应力分布规律,并将数值模拟结果与上述学者所提出的方程进行了对比,总结了各类方程在不同缺口形式下的优势和劣势。(4)根据传统应力场强法的原理,设计并建立了了六种不同几何尺寸(六种试件由不同尖锐程度的中心椭圆孔组成,其中ρ是缺口尖端半径,l是板长的一半,板长与缺口半径的比值分为六种l/ρ=100,80,50,40,20,10)有限平板的三维有限元模型,对六种不同尺寸的模型进行了线弹性应力分析、弹塑性应力分析,结合数值计算结果分析并总结了传统应力场强法的不足。在此基础上提出了“无边界损伤区域”和“无形边界”的概念;对传统应力场强法计算模型中的权重函数数学模型进行了修正,引入了几何方程和晶粒尺寸系数等因素建立了一种新的权函数数学模型;综合考虑应力分布函数、权函数、场径、无形边界建立了改进的应力场强法数学模型。新应力场强法的疲劳寿命的求解方法上比原应力场强法优化很多,最后进行了多组应力级别下双孔(圆孔和椭圆孔)平板疲劳试验,试验结果表明新模型在疲劳寿命预估的精确度上要优于原模型。(5)基于材料记忆性能退化的动态行为,定义了动态剩余S-N曲线,结合Ebbinghaus曲线的数学模型,将原本由指数函数定义的记忆函数数学模型改进为幂函数,提出了一种新的线性疲劳累积损伤模型。并将新模型与四种模型(Miner法则、Corten模型、Kwofie模型、彭兆春提出的新型累积损伤模型)进行了对比,两种材料30Ni Cr Mo V12和30Cr Mn Si A的两级加载试验数据进行验证,结果表明新模型具有更高的精确度。新模型在高-低加载两级工况下泵头体(SJB-03型泵头体)的剩余疲劳寿命评估的可靠性也得到了验证。