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《燕山大学》 2017年
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单股钢丝绳力学性能高效数值模拟技术研究

于春蕾  
【摘要】:单股钢丝绳是由一层或数层钢丝按照一定规则围绕中心钢丝螺旋捻制而成的一类重要的工程构件。近年来,随着捻制工艺和钢丝性能等的不断提高,单股钢丝绳捻制钢丝层数不断增多,轴向承载能力以及抗旋转、耐高温和耐腐蚀等性能不断提升,应用前景十分广阔。单股钢丝绳的连接性能不仅取决于自身的力学性能,还与其端部接头的力学性能息息相关。索节浇铸接头是目前工程应用和钢丝绳试验中普遍采用的接头形式,其力学性能和单股钢丝绳力学性能直接决定了机器设备、操作人员和工程结构的安全性和稳定性。因此,对单股钢丝绳及其索节浇铸接头的力学性能进行研究,开发高效准确的数值模拟技术具有重要的学术意义和应用价值。参考钢丝绳拉伸试验有关规定和国家标准,制备了单股钢丝绳1×91的测试试样,制定了拉伸试验的测试方案,并在大型卧式液动拉力机DL-5000上进行了拉伸试验。联合专用测试工具和试验拉力机自带数据采集系统对表征单股钢丝绳轴向拉伸性能的参数进行测量并对测试结果进行了分析和处理,为后续模拟分析提供了验证依据。基于空间两圆柱体接触的赫兹接触理论,推导了单股钢丝绳内部点接触和线接触钢丝间的接触力和钢丝中心线靠近距离的关系。基于对单股钢丝绳几何结构和钢丝间接触特点的分析,推导了任意两相邻钢丝层内接触钢丝间的接触力。基于上述工作和Costello解析模型,考虑了钢丝接触引起的接触变形的影响,建立了单股钢丝绳的非线性解析模型,提高了单股钢丝绳轴向拉伸性能的预测精度。采用拟牛顿数值算法对解析模型进行求解,降低了计算难度,提高了计算效率。以单股钢丝绳1×91为研究对象,预测其轴向拉伸性能。仿真结果表明:相较于Costello解析模型,新开发解析模型的预测结果与拉伸试验结果吻合较好,验证了解析模型的正确性。采用两节点弹塑性梁单元对钢丝进行结构离散,采用基于钢丝赫兹接触理论开发的赫兹接触单元对钢丝间接触进行模拟,综合考虑了泊松比引起的钢丝直径减小量、不连续点接触引起的钢丝不均匀弯曲、钢丝接触引起的接触变形和钢丝材料塑性等因素的影响,建立了单股钢丝绳力学性能预测的梁单元有限元模型。以单股钢丝绳1×19和单股钢丝绳1×91为研究对象,预测其轴向拉伸性能。仿真结果表明:单股钢丝绳1×19的梁单元有限元模型分析结果与三维实体有限元模型预测结果吻合较好。梁单元有限元模型总自由度数仅为三维实体有限元模型的4%左右,分析计算时间仅为三维实体有限元模型的20%左右,极大地降低了模型计算规模,提高了计算效率;单股钢丝绳1×91的梁单元模型预测结果和拉伸试验结果吻合较好。基于高效处理复合材料建模问题的区域叠合法,综合考虑了浇铸接头内部散开钢丝和捆扎铁丝的真实几何形状和材料属性、索节外钢丝间以及浇铸接头和索节间的接触摩擦、索节浇铸接头各部分的材料塑性等因素的影响,建立了单股钢丝绳索节浇铸接头的三维实体有限元模型,解决了传统有限元建模方法对浇铸接头内部复杂几何结构进行处理的难题,提高了建模效率和计算效率,实现了对索节浇铸接头力学性能及其端部效应的有效预测。对单股钢丝绳1×7的锌合金浇铸索节接头的轴向拉伸性能进行了有限元分析,分析结果表明:索节浇铸接头具有大于单股钢丝绳1×7自身拉伸强度的轴向承载性能,索节设计较为保守;索节浇铸接头端部效应影响区域的大小约为两倍单股钢丝绳1×7的公称直径。在此区域内,接触钢丝间同时存在接触力和相对滑动,极易引起疲劳磨损。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG356.45

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