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獨(dú)立鋼絲繩芯鋼絲繩應(yīng)力及變形分布
發(fā)布時(shí)間：2022-02-07 16:54 文章來源：未知 文章作者：admin 點(diǎn)擊數(shù)：
礦并摩擦提升鋼絲繩常使用636WS-IWRC鋼絲繩。提升過程中，提升鋼絲繩承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷作用在繩端載荷和自重作用下，鋼絲繩既承受拉力又發(fā)生扭轉(zhuǎn)。拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)由于鋼絲
礦并摩擦提升鋼絲繩常使用6×36WS-IWRC鋼絲繩。提升過程中，提升鋼絲繩承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷作用在繩端載荷和自重作用下，鋼絲繩既承受拉力又發(fā)生扭轉(zhuǎn)。拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)由于鋼絲在繩中所處位置不同，鋼絲變形也不相等，鋼絲繩內(nèi)鋼絲應(yīng)力會(huì)重新分布。而鋼絲在鋼絲繩中起承載作用，鋼絲的力學(xué)性能會(huì)對(duì)整個(gè)鋼絲繩的力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響”
以6×36WS-IWRC鋼絲繩為研究對(duì)象（圖l）。
該繩由獨(dú)立鋼絲繩芯和外股層組成。獨(dú)立繩芯為6x
7IWRC，由中心股和內(nèi)股層組成。外股層有右交互捻和右同向捻兩種捻制方式。中心股側(cè)絲、內(nèi)股層股芯絲和外股層股芯絲為一次捻制而成，內(nèi)股層側(cè)絲和外股層側(cè)絲均為二次捻制鋼絲。
內(nèi)股員中心股■半食線
■一次城必按■二次郵酸我
外校層獨(dú)立繩芯
（a）憤載面（b）空間模型
圖16×36WS-IWRC鋼絲繩
Fig.16 strand waringlon-seale rope近年來有限元法在鋼絲繩研究領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了單捻鋼絲繩有限元分析模型-0，分析在軸向載荷作用下單捻鋼絲繩的性能特性。C.Erdonmez8建立了6×7IWRC鋼絲繩數(shù)學(xué)模型，分析在不同載荷下鋼絲繩繩芯的應(yīng)變，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。馬軍等建立鋼絲繩芯（6×19IWS）的有限元模型，分析繩芯內(nèi)鋼絲的載荷分布。王大剛-1鳴建立6x19IWS鋼絲繩有限元模型，對(duì)鋼絲微動(dòng)磨損和疲勞壽命進(jìn)行了有限元分析。D.Elata等如建立了獨(dú)立繩芯鋼絲繩的數(shù)學(xué)模型，分析鋼絲繩在軸向力和扭矩的作用下的動(dòng)態(tài)特性。
前述成果中，利用有限元法分析獨(dú)立鋼絲繩芯外股層應(yīng)力及變形分布的文獻(xiàn)較少。本文利用有限元法，建立了完整的鋼絲繩實(shí)體計(jì)算模型，分析在拉伸載荷的作用下鋼絲繩外股層受力、變形及股內(nèi)鋼絲受力情況以及不同捻向?qū)︿摻z繩的性能的影響規(guī)律。
1鋼絲繩模型的建立
1.1一次螺旋線與二次螺旋線空間方程應(yīng)用空間微分幾何理論04，假設(shè)一次螺旋線上的任意一點(diǎn)A用矢量R表示，A點(diǎn)處的Frenet-Serret標(biāo)架t，-n，-b.如圖2所示，t.為切向量，n.為主法向量，b.為副法向量，二次捻制的外層絲上任意一點(diǎn)B用矢量P表示。以右交互捻為例，通過轉(zhuǎn)換矩陣了，P可由R與Q表示，那么二次捻制鋼絲矢量表達(dá)式P=R+Q，如圖3所示。一次螺旋線的纏繞半徑和轉(zhuǎn)角分別為r，和p，二次螺旋線的纏繞半徑、捻角和轉(zhuǎn)角分別為r.，B和e.
2模擬仿真結(jié)果與分析
2.1外股層鋼絲應(yīng)力分布
等效應(yīng)力a.（equivalent stress）是第四強(qiáng)度理論上衡量材料屈服的強(qiáng)度準(zhǔn)則，適用于鋼絲繩這種塑性材料。當(dāng)材料的屈服極限小于等于等效應(yīng)力時(shí)，材料就進(jìn)入塑性區(qū)域其表達(dá)式4為
a.v號(hào) la1-0）2+（on-0）2+（o，-0）]
（9）為了分析鋼絲繩外股層內(nèi)鋼絲應(yīng)力分布規(guī)律，將右交互捻鋼絲繩外股層中每股沿逆時(shí)針方向編號(hào)，并取出右交互捻繩外股層中第1，2，4和5股鋼絲作為研究對(duì)象，在整體坐標(biāo)系中，右交互捻鋼絲繩第l，2，
4和5股分別處于0°，60°，180°和240°相位。股中每層離股芯最近的鋼絲用星號(hào)標(biāo)識(shí)。在軸向載荷F1-
20kN作用下，右交互捻鋼絲繩中4股鋼絲的等效應(yīng)力如圖6所示。
在整體坐標(biāo)系中，沿逆時(shí)針方向，取出右同向捻鋼絲繩外股層中相鄰3股，分別編號(hào)為第1，2和3股，其相位差為60°。在軸向載荷F1=20kN作用下，右同向捻鋼絲繩中相鄰3股鋼絲的等效應(yīng)力分布情況，如圖7所示。
通過圖6和圖7可以看出：
（1）在右交互捻鋼絲繩模型中，從等效應(yīng)力分布來看，第1股鋼絲應(yīng)力分布和相位差180°的第4股鋼絲應(yīng)力分布對(duì)稱；同樣，第2股鋼絲應(yīng)力分布和相位差l80°的第5股鋼絲應(yīng)力分布對(duì)稱。每股中最大、最小等效應(yīng)力均分布在靠近鋼絲繩芯位置。
（2）在右同向捻鋼絲繩模型中，相鄰3股中每股鋼絲的最大、最小等效應(yīng)力呈現(xiàn)相似情況。相鄰股鋼絲的等效應(yīng)力相位差為60°。
（3）在右交互捻和右同向捻鋼絲繩中.二次捻制鋼絲的等效應(yīng)力早埋不均勻介布，這與二次捻制鋼絲在股中的位置有很大關(guān)系，鋼絲的最大等效應(yīng)力隨著曲率的變化而變化。右同向捻鋼絲繩的鋼絲應(yīng)力大于右交互捻的。
（4）在鋼絲繩模型加載端和約束端面上，由于存在約束效應(yīng)和應(yīng)力集中現(xiàn)象，端面處的等效應(yīng)力要大于股內(nèi)鋼絲其他位置。由于繩股與股之間接觸處外層絲周期性接觸，外層絲的等效應(yīng)力也呈現(xiàn)等值幅度波動(dòng)。
2.2外股層鋼絲變形規(guī)律
每層標(biāo)星號(hào)鋼絲記為1，沿逆時(shí)針方向依次將每根鋼絲標(biāo)記為2，3，4…，在局部坐標(biāo)系中，第1，2層細(xì)鋼絲的相位相同，標(biāo)識(shí)星號(hào)1初相位為0°，相鄰鋼絲的相位差為51.43；第2層粗鋼絲的初相位為25.71°，相鄰鋼絲的相位差為51.43°；第3層鋼絲的初相位為12.95°，相鄰鋼絲的相位差為25.53°.在軸向載荷F，=20kN作用下，距繩約束端80mm處鋼絲繩第l，2，4和5股各層鋼絲變形如圖8所示。同理，在軸向載荷F，=20kN作用下，距繩約束端80mm處，右同向捻鋼絲繩外股層第1，2和3股各層鋼絲變形如圖9所示。
4結(jié)論
（1）建立了14-6×36WS-IWRC鋼絲繩有限元分析模型，仿真模擬計(jì)算出股內(nèi)鋼絲應(yīng)力及變形的分布規(guī)律。
（2）右交互捻鋼絲繩某一股每層離股芯最近鋼絲的等效應(yīng)力和變形值繞股芯旋轉(zhuǎn)180°即為與該股對(duì)稱繩股的等效應(yīng)力和變形值。每股中最大、最小等效應(yīng)力均分布在靠近鋼絲繩芯位置。
（3）右同向捻鋼絲繩模型中相鄰3股中每股鋼絲的變形分布情況和最大、最小等效應(yīng)力呈現(xiàn)相似情況。相鄰股鋼絲的等效應(yīng)力相位差為60°。
（4）鋼絲繩股內(nèi)應(yīng)力及變形分布規(guī)律與鋼絲的捻向組合方式相關(guān)，同向捻鋼絲繩股內(nèi)應(yīng)力及變形明顯對(duì)于交互捻的。因此，交互捻鋼絲繩優(yōu)先選用。
（5）通過模擬仿真計(jì)算與鋼絲繩拉伸試驗(yàn)對(duì)比，在誤差允許的范圈內(nèi)，模擬仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)值基本吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。
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