單股鋼絲繩力學(xué)性能高效數(shù)值模擬技術(shù)研究.pdf

1、單股鋼絲繩是由一層或數(shù)層鋼絲按照一定規(guī)則圍繞中心鋼絲螺旋捻制而成的一類重要的工程構(gòu)件。近年來，隨著捻制工藝和鋼絲性能等的不斷提高，單股鋼絲繩捻制鋼絲層數(shù)不斷增多，軸向承載能力以及抗旋轉(zhuǎn)、耐高溫和耐腐蝕等性能不斷提升，應(yīng)用前景十分廣闊。單股鋼絲繩的連接性能不僅取決于自身的力學(xué)性能，還與其端部接頭的力學(xué)性能息息相關(guān)。索節(jié)澆鑄接頭是目前工程應(yīng)用和鋼絲繩試驗中普遍采用的接頭形式，其力學(xué)性能和單股鋼絲繩力學(xué)性能直接決定了機(jī)器設(shè)備、操作人員和工程結(jié)

2、構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。因此，對單股鋼絲繩及其索節(jié)澆鑄接頭的力學(xué)性能進(jìn)行研究，開發(fā)高效準(zhǔn)確的數(shù)值模擬技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
　　參考鋼絲繩拉伸試驗有關(guān)規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)，制備了單股鋼絲繩1×91的測試試樣，制定了拉伸試驗的測試方案，并在大型臥式液動拉力機(jī)DL-5000上進(jìn)行了拉伸試驗。聯(lián)合專用測試工具和試驗拉力機(jī)自帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對表征單股鋼絲繩軸向拉伸性能的參數(shù)進(jìn)行測量并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析和處理，為后續(xù)模擬分析提供了驗證依據(jù)

3、。
　　基于空間兩圓柱體接觸的赫茲接觸理論，推導(dǎo)了單股鋼絲繩內(nèi)部點接觸和線接觸鋼絲間的接觸力和鋼絲中心線靠近距離的關(guān)系。基于對單股鋼絲繩幾何結(jié)構(gòu)和鋼絲間接觸特點的分析，推導(dǎo)了任意兩相鄰鋼絲層內(nèi)接觸鋼絲間的接觸力?；谏鲜龉ぷ骱虲ostello解析模型，考慮了鋼絲接觸引起的接觸變形的影響，建立了單股鋼絲繩的非線性解析模型，提高了單股鋼絲繩軸向拉伸性能的預(yù)測精度。采用擬牛頓數(shù)值算法對解析模型進(jìn)行求解，降低了計算難度，提高了計算效率。以

4、單股鋼絲繩1×91為研究對象，預(yù)測其軸向拉伸性能。仿真結(jié)果表明：相較于Costello解析模型，新開發(fā)解析模型的預(yù)測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果吻合較好，驗證了解析模型的正確性。
　　采用兩節(jié)點彈塑性梁單元對鋼絲進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，采用基于鋼絲赫茲接觸理論開發(fā)的赫茲接觸單元對鋼絲間接觸進(jìn)行模擬，綜合考慮了泊松比引起的鋼絲直徑減小量、不連續(xù)點接觸引起的鋼絲不均勻彎曲、鋼絲接觸引起的接觸變形和鋼絲材料塑性等因素的影響，建立了單股鋼絲繩力學(xué)性能預(yù)測的梁

5、單元有限元模型。以單股鋼絲繩1×19和單股鋼絲繩1×91為研究對象，預(yù)測其軸向拉伸性能。仿真結(jié)果表明：單股鋼絲繩1×19的梁單元有限元模型分析結(jié)果與三維實體有限元模型預(yù)測結(jié)果吻合較好。梁單元有限元模型總自由度數(shù)僅為三維實體有限元模型的4％左右，分析計算時間僅為三維實體有限元模型的20%左右，極大地降低了模型計算規(guī)模，提高了計算效率；單股鋼絲繩1×91的梁單元模型預(yù)測結(jié)果和拉伸試驗結(jié)果吻合較好。
　　基于高效處理復(fù)合材料建模問題的區(qū)

6、域疊合法，綜合考慮了澆鑄接頭內(nèi)部散開鋼絲和捆扎鐵絲的真實幾何形狀和材料屬性、索節(jié)外鋼絲間以及澆鑄接頭和索節(jié)間的接觸摩擦、索節(jié)澆鑄接頭各部分的材料塑性等因素的影響，建立了單股鋼絲繩索節(jié)澆鑄接頭的三維實體有限元模型，解決了傳統(tǒng)有限元建模方法對澆鑄接頭內(nèi)部復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的難題，提高了建模效率和計算效率，實現(xiàn)了對索節(jié)澆鑄接頭力學(xué)性能及其端部效應(yīng)的有效預(yù)測。對單股鋼絲繩1×7的鋅合金澆鑄索節(jié)接頭的軸向拉伸性能進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明：