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獨立鋼絲繩芯鋼絲繩應力及變形分布
發(fā)布時間：2022-02-07 16:54 文章來源：未知 文章作者：admin 點擊數(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)鋼絲應力會重新分布。而鋼絲在鋼絲繩中起承載作用，鋼絲的力學性能會對整個鋼絲繩的力學性能產(chǎn)生決定性的影響”
以6×36WS-IWRC鋼絲繩為研究對象（圖l）。
該繩由獨立鋼絲繩芯和外股層組成。獨立繩芯為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域有較廣泛的應用。國內(nèi)外學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)學模型，分析在不同載荷下鋼絲繩繩芯的應變，并進行了試驗驗證。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，對鋼絲微動磨損和疲勞壽命進行了有限元分析。D.Elata等如建立了獨立繩芯鋼絲繩的數(shù)學模型，分析鋼絲繩在軸向力和扭矩的作用下的動態(tài)特性。
前述成果中，利用有限元法分析獨立鋼絲繩芯外股層應力及變形分布的文獻較少。本文利用有限元法，建立了完整的鋼絲繩實體計算模型，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用空間微分幾何理論04，假設一次螺旋線上的任意一點A用矢量R表示，A點處的Frenet-Serret標架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外股層鋼絲應力分布
等效應力a.（equivalent stress）是第四強度理論上衡量材料屈服的強度準則，適用于鋼絲繩這種塑性材料。當材料的屈服極限小于等于等效應力時，材料就進入塑性區(qū)域其表達式4為
a.v號 la1-0）2+（on-0）2+（o，-0）]
（9）為了分析鋼絲繩外股層內(nèi)鋼絲應力分布規(guī)律，將右交互捻鋼絲繩外股層中每股沿逆時針方向編號，并取出右交互捻繩外股層中第1，2，4和5股鋼絲作為研究對象，在整體坐標系中，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標識。在軸向載荷F1-
20kN作用下，右交互捻鋼絲繩中4股鋼絲的等效應力如圖6所示。
在整體坐標系中，沿逆時針方向，取出右同向捻鋼絲繩外股層中相鄰3股，分別編號為第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，從等效應力分布來看，第1股鋼絲應力分布和相位差180°的第4股鋼絲應力分布對稱；同樣，第2股鋼絲應力分布和相位差l80°的第5股鋼絲應力分布對稱。每股中最大、最小等效應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、最小等效應力呈現(xiàn)相似情況。相鄰股鋼絲的等效應力相位差為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系，鋼絲的最大等效應力隨著曲率的變化而變化。右同向捻鋼絲繩的鋼絲應力大于右交互捻的。
（4）在鋼絲繩模型加載端和約束端面上，由于存在約束效應和應力集中現(xiàn)象，端面處的等效應力要大于股內(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，外層絲的等效應力也呈現(xiàn)等值幅度波動。
2.2外股層鋼絲變形規(guī)律
每層標星號鋼絲記為1，沿逆時針方向依次將每根鋼絲標記為2，3，4…，在局部坐標系中，第1，2層細鋼絲的相位相同，標識星號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，仿真模擬計算出股內(nèi)鋼絲應力及變形的分布規(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力和變形值繞股芯旋轉(zhuǎn)180°即為與該股對稱繩股的等效應力和變形值。每股中最大、最小等效應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、最小等效應力呈現(xiàn)相似情況。相鄰股鋼絲的等效應力相位差為60°。
（4）鋼絲繩股內(nèi)應力及變形分布規(guī)律與鋼絲的捻向組合方式相關，同向捻鋼絲繩股內(nèi)應力及變形明顯對于交互捻的。因此，交互捻鋼絲繩優(yōu)先選用。
（5）通過模擬仿真計算與鋼絲繩拉伸試驗對比，在誤差允許的范圈內(nèi)，模擬仿真值與試驗數(shù)據(jù)值基本吻合，驗證了模型的正確性。