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《兰州大学》 2017年
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股线及多级绞缆结构力学分析方法与行为研究

张志超  
【摘要】:股线和线缆结构在众多工程领域应用广泛,基于其内部复杂的相互接触力学行为和几何上的分级分层结构使得绞缆具有一些丰富而优越的力学特性。围绕现代高新技术和大科学工程关联的超大型超导磁体中的CICC多级线缆结构的应用,针对股线和线缆的多级复杂结构有效性质和力学行为预测等基础力学问题,本论文进行了较为系统的理论建模和数值分析,探讨了股线和多级线缆结构性能和外载荷下结构的力学行为,进而揭示股线间局部接触等效应对结构整体性能的影响规律等,为优化线缆的设计提供理论支持和参考。论文主要进行了以下几个方面的研究工作:首先,针对线缆结构的基本组成单元——单根复合股线的基本力学属性和多场有效性能预测开展了研究。单根股线一般为多相复合材料,基于细观力学的理论方法,提出了股线复合材料在力、热、电磁多场复杂环境中有效性质的广义Mori-Tanaka方法,给出了相应的等效性质预测公式。进一步建立了纤维夹杂复合材料结构的有限元数值模型,采用Comsol有限元软件进行求解并给出预测结果。结果表明:所建立的广义Mori-Tanaka模型可以较好地预测复合股线的力学、热学和电磁学等有效特性,并获得不同夹杂相体积分数下的有效性能依赖关系,理论模型预测结果和有限元结果吻合良好。其次,围绕多根股线螺旋绞扭而成的一级绞缆结构,考虑股线间局部接触变形和接触摩擦等效应,开展了绞缆力学性能与行为分析研究。针对该一级绞缆(1×3)结构的复杂非线性力学方程的求解,提出了分步加载的力学分析方法,逐次考虑局部接触变形和摩擦效应的影响并获得绞缆和各个股线力学响应的解析解答;文中所建模型和结果可适应于股线螺旋角(从55o到90o)的更大范围。在此基础上,本文详细分析并获得了螺旋股线间的摩擦力分布特征,以及接触摩擦对股线性能和整体绞缆行为的影响;获得了不同螺旋角下股线间接触和摩擦对绞缆结构轴向拉伸和扭转变形下的等效刚度、内力分量等的影响特征。结果表明:股线间局部接触变形和摩擦均会对绞缆力学性能产生影响,接触变形对绞缆结构整体力学性能的影响更为显著。为了验证理论模型与解析结果的可靠性,将相关结果与ABAQUS有限元数值模拟的结果进行了对比,二者吻合良好,特别是在股线螺旋角较大变化范围内,均能给出较好预测结果。再次,针对一级绞缆结构通过螺旋绞扭而成的复杂二级绞缆结构(3×3),考虑其局部接触变形,并对此进行力学行为分析与研究。在二级绞缆结构中两种不同的接触形式,忽略股线间接触摩擦效的情形下,建立了二级绞缆结构力学行为分析的两级等效模型。结合二级绞缆内部不同接触形式,提出了二级绞缆内部接触和接触变形的计算方法,详细分析了接触变形对绞缆整体变形的影响,并获得绞缆各层级中的应变以及内力分布的解析表达。模型不仅从理论上解释了二级绞缆各局部接触变形对绞缆结构的影响原理,并且定量分析了接触变形对二级绞缆力学性能的影响。结果表明:绞缆内部子缆的局部接触变形,对小螺旋角下绞缆的整体力学性能和股线内力均有着显著的影响,是影响绞缆力学性能的重要因素。该模型可退化为已有文献中不考虑接触变形的传统模型,在较大螺旋角的情形下两者预测结果相近。最后,围绕具有多层级复杂几何特征的多级绞缆(3N)结构,本文提出了一种分析多层级线缆力学性能的分(跨)级分析模型,实现了对多级绞缆结构力学性能的理论分析。在忽略股线泊松效应和线缆内部接触变形的假设前提下,基于对各层级中心线位移和变形的逐级递推关系,建立了从最低层级股线变形到最高级层绞缆变形之间的联系。在小变形条件下,根据变形前后股线的截面主轴坐标架的旋转关系,获得了股线上任意点处的应变解析表达式,从理论上建立了股线应变和各级绞缆变形的严格依赖关系;进一步通过解析逐级递推,我们可得到绞缆各级中心线的变形情况,通过等效方法得到了线缆在变形时的整体力和扭矩等基本力学特征与响应。该多级绞缆结构的一般分析方法用于退化后的一级股线结构二级绞缆结构(3×3),分析并给出了结构有效性质并和力学响应,结果吻合良好,验证了该多级结构分析方法的有效性。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O342

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