單股鋼絲繩力學性能高效數值模擬技術研究.pdf

1、單股鋼絲繩是由一層或數層鋼絲按照一定規(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不斷增多，軸向承載能力以及抗旋轉、耐高溫和耐腐蝕等性能不斷提升，應用前景十分廣闊。單股鋼絲繩的連接性能不僅取決于自身的力學性能，還與其端部接頭的力學性能息息相關。索節(jié)澆鑄接頭是目前工程應用和鋼絲繩試驗中普遍采用的接頭形式，其力學性能和單股鋼絲繩力學性能直接決定了機器設備、操作人員和工程結

2、構的安全性和穩(wěn)定性。因此，對單股鋼絲繩及其索節(jié)澆鑄接頭的力學性能進行研究，開發(fā)高效準確的數值模擬技術具有重要的學術意義和應用價值。
　　參考鋼絲繩拉伸試驗有關規(guī)定和國家標準，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DL-5000上進行了拉伸試驗。聯(lián)合專用測試工具和試驗拉力機自帶數據采集系統(tǒng)對表征單股鋼絲繩軸向拉伸性能的參數進行測量并對測試結果進行了分析和處理，為后續(xù)模擬分析提供了驗證依據

3、。
　　基于空間兩圓柱體接觸的赫茲接觸理論，推導了單股鋼絲繩內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系。基于對單股鋼絲繩幾何結構和鋼絲間接觸特點的分析，推導了任意兩相鄰鋼絲層內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測精度。采用擬牛頓數值算法對解析模型進行求解，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，預測其軸向拉伸性能。仿真結果表明：相較于Costello解析模型，新開發(fā)解析模型的預測結果與拉伸試驗結果吻合較好，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行結構離散，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性能預測的梁

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，預測其軸向拉伸性能。仿真結果表明：單股鋼絲繩1×19的梁單元有限元模型分析結果與三維實體有限元模型預測結果吻合較好。梁單元有限元模型總自由度數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的梁單元模型預測結果和拉伸試驗結果吻合較好。
　　基于高效處理復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部復雜幾何結構進行處理的難題，提高了建模效率和計算效率，實現了對索節(jié)澆鑄接頭力學性能及其端部效應的有效預測。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行了有限元分析，分析結果表明：