股線及多級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法與行為研究.pdf

1、股線和線纜結(jié)構(gòu)在眾多工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，基于其內(nèi)部復(fù)雜的相互接觸力學(xué)行為和幾何上的分級(jí)分層結(jié)構(gòu)使得絞纜具有一些豐富而優(yōu)越的力學(xué)特性。圍繞現(xiàn)代高新技術(shù)和大科學(xué)工程關(guān)聯(lián)的超大型超導(dǎo)磁體中的CICC多級(jí)線纜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，針對(duì)股線和線纜的多級(jí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)有效性質(zhì)和力學(xué)行為預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題，本論文進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論建模和數(shù)值分析，探討了股線和多級(jí)線纜結(jié)構(gòu)性能和外載荷下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，進(jìn)而揭示股線間局部接觸等效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響規(guī)律等，為優(yōu)化線纜的

2、設(shè)計(jì)提供理論支持和參考。論文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　首先，針對(duì)線纜結(jié)構(gòu)的基本組成單元——單根復(fù)合股線的基本力學(xué)屬性和多場(chǎng)有效性能預(yù)測(cè)開(kāi)展了研究。單根股線一般為多相復(fù)合材料，基于細(xì)觀力學(xué)的理論方法，提出了股線復(fù)合材料在力、熱、電磁多場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境中有效性質(zhì)的廣義Mori-Tanaka方法，給出了相應(yīng)的等效性質(zhì)預(yù)測(cè)公式。進(jìn)一步建立了纖維夾雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模型，采用Comsol有限元軟件進(jìn)行求解并給出預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)果

3、表明：所建立的廣義Mori-Tanaka模型可以較好地預(yù)測(cè)復(fù)合股線的力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)等有效特性，并獲得不同夾雜相體積分?jǐn)?shù)下的有效性能依賴關(guān)系，理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果和有限元結(jié)果吻合良好。
　　其次，圍繞多根股線螺旋絞扭而成的一級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)，考慮股線間局部接觸變形和接觸摩擦等效應(yīng)，開(kāi)展了絞纜力學(xué)性能與行為分析研究。針對(duì)該一級(jí)絞纜（1×3）結(jié)構(gòu)的復(fù)雜非線性力學(xué)方程的求解，提出了分步加載的力學(xué)分析方法，逐次考慮局部接觸變形和摩擦效應(yīng)的影響并獲

4、得絞纜和各個(gè)股線力學(xué)響應(yīng)的解析解答；文中所建模型和結(jié)果可適應(yīng)于股線螺旋角（從55o到90o）的更大范圍。在此基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)分析并獲得了螺旋股線間的摩擦力分布特征，以及接觸摩擦對(duì)股線性能和整體絞纜行為的影響；獲得了不同螺旋角下股線間接觸和摩擦對(duì)絞纜結(jié)構(gòu)軸向拉伸和扭轉(zhuǎn)變形下的等效剛度、內(nèi)力分量等的影響特征。結(jié)果表明：股線間局部接觸變形和摩擦均會(huì)對(duì)絞纜力學(xué)性能產(chǎn)生影響，接觸變形對(duì)絞纜結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響更為顯著。為了驗(yàn)證理論模型與解析結(jié)果

5、的可靠性，將相關(guān)結(jié)果與ABAQUS有限元數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合良好，特別是在股線螺旋角較大變化范圍內(nèi)，均能給出較好預(yù)測(cè)結(jié)果。
　　再次，針對(duì)一級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)通過(guò)螺旋絞扭而成的復(fù)雜二級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)（3×3），考慮其局部接觸變形，并對(duì)此進(jìn)行力學(xué)行為分析與研究。在二級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)中兩種不同的接觸形式，忽略股線間接觸摩擦效的情形下，建立了二級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析的兩級(jí)等效模型。結(jié)合二級(jí)絞纜內(nèi)部不同接觸形式，提出了二級(jí)絞纜內(nèi)部接觸和接觸變形

6、的計(jì)算方法，詳細(xì)分析了接觸變形對(duì)絞纜整體變形的影響，并獲得絞纜各層級(jí)中的應(yīng)變以及內(nèi)力分布的解析表達(dá)。模型不僅從理論上解釋了二級(jí)絞纜各局部接觸變形對(duì)絞纜結(jié)構(gòu)的影響原理，并且定量分析了接觸變形對(duì)二級(jí)絞纜力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：絞纜內(nèi)部子纜的局部接觸變形，對(duì)小螺旋角下絞纜的整體力學(xué)性能和股線內(nèi)力均有著顯著的影響，是影響絞纜力學(xué)性能的重要因素。該模型可退化為已有文獻(xiàn)中不考慮接觸變形的傳統(tǒng)模型，在較大螺旋角的情形下兩者預(yù)測(cè)結(jié)果相近。
　　

7、最后，圍繞具有多層級(jí)復(fù)雜幾何特征的多級(jí)絞纜（3N）結(jié)構(gòu)，本文提出了一種分析多層級(jí)線纜力學(xué)性能的分（跨）級(jí)分析模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的理論分析。在忽略股線泊松效應(yīng)和線纜內(nèi)部接觸變形的假設(shè)前提下，基于對(duì)各層級(jí)中心線位移和變形的逐級(jí)遞推關(guān)系，建立了從最低層級(jí)股線變形到最高級(jí)層絞纜變形之間的聯(lián)系。在小變形條件下，根據(jù)變形前后股線的截面主軸坐標(biāo)架的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，獲得了股線上任意點(diǎn)處的應(yīng)變解析表達(dá)式，從理論上建立了股線應(yīng)變和各級(jí)絞纜變形的嚴(yán)