鋼絲繩的應(yīng)力狀態(tài)與受力分析

鋼絲繩的應(yīng)力狀態(tài)與受力分析

一、拉伸斷裂分析圖1顯示了拆除大腿后的鋼絲繩。我知道內(nèi)部有很多磨損。由于使用中,鋼絲繩出現(xiàn)內(nèi)部磨損,當(dāng)鋼絲繩作反復(fù)循環(huán)拉伸彎曲時(shí),在其磨損深凹處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而被折斷,從而大大降低鋼絲繩的使用壽命。通過對(duì)鋼絲繩的解剖發(fā)現(xiàn),鋼絲繩的表面外層基本無損傷,內(nèi)層磨損較嚴(yán)重,現(xiàn)象具體如下:從斷裂的鋼絲繩研究觀察可得出,鋼絲繩總是內(nèi)層絲先斷裂,并且內(nèi)層絲上磨損點(diǎn)數(shù)多,磨損深度大;外層絲磨損深度比較淺,但磨損長度比內(nèi)層絲要長。如圖2、圖3所示:二、荷下運(yùn)動(dòng)的影響鋼絲繩的工作狀態(tài)按受力的方式主要有兩種:一是指受拉力負(fù)荷作用時(shí)的工作狀態(tài)。即便是這種情形鋼絲繩的受力也是極為復(fù)雜的。因?yàn)殇摻z繩在張力負(fù)荷下本身存在著各種形式的運(yùn)動(dòng)(如有時(shí)是直線運(yùn)動(dòng),有時(shí)是曲線運(yùn)動(dòng),有時(shí)是勻速運(yùn)動(dòng),有時(shí)是變速運(yùn)動(dòng)),運(yùn)動(dòng)形式的不同對(duì)張力的大小、方向都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。為了研究方便,只考慮在靜拉力負(fù)荷作用下的鋼絲繩的應(yīng)力狀態(tài)。另外一種是鋼絲繩繞過繩輪或卷筒時(shí)的工作狀態(tài)。在這種情形下,鋼絲繩除受到繩輪的摩擦之外,主要還是在張力狀態(tài)下受到繩輪的彎曲。現(xiàn)就兩種工作狀態(tài)的簡單情形對(duì)鋼絲繩的應(yīng)力進(jìn)行分析。(一)接觸應(yīng)力的計(jì)算當(dāng)鋼絲繩受到拉力負(fù)荷作用時(shí),由于鋼絲和股繩呈螺旋狀態(tài),因此同時(shí)受到張拉、徑向擠壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)的綜合作用。1、鋼絲繩所受拉力負(fù)荷與鋼絲和股繩受力之間的關(guān)系。設(shè)鋼絲繩所受拉力負(fù)荷為Q鋼絲受力為:股繩受力為:上兩式中:FS——在第i根股內(nèi)的k層鋼絲所受的拉力;FG——第i層股所受的拉力;Aik——第i層某股中k層鋼絲的單絲截面積;αi——第i股層的捻角(即鋼絲繩中,第i層股的捻角);βik——k層鋼絲在第i層股中的捻角;由于鋼絲和股繩的相互徑向擠壓,便在鋼絲之間或鋼絲與繩芯(纖維芯)之間產(chǎn)生接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力的計(jì)算是極為復(fù)雜的,它不僅與接觸力、徑向接觸載荷有關(guān),還與接觸狀態(tài)(點(diǎn)、線、面接觸方式及接觸的方向、大小等)有關(guān),一般需要借助計(jì)算機(jī)來完成。(1)徑向接觸載荷q與鋼絲(或股繩)所受力FS(或)FG之間的關(guān)系。在鋼絲(或股)的螺旋線中取一個(gè)受力元進(jìn)行分析,在繩張力的作用下,將形成多維徑向接觸載荷q1,q2,···,qn,這些分布接觸載荷之和(矢量和),即為徑向接觸總載荷q,其大小可用下式表示:(1)芯股與外層股鋼絲之間的接觸力當(dāng)芯股與外層股的捻向、鋼絲數(shù)一致時(shí),其鋼絲之間的接觸力q0按下式計(jì)算:q——徑向接觸載荷;(2)相同層股與股之間的接觸力(3)接觸應(yīng)力(1)鋼絲繩與纖維芯的接觸應(yīng)力式中:n——與纖維繩芯相接觸的股的數(shù)目(或鋼絲的總數(shù));q——股的徑向接觸載荷(或絲的徑向接觸載荷);roc——繩芯內(nèi)切圓的半徑;(2)鋼絲之間的接觸應(yīng)力根據(jù)接觸狀態(tài)的分類,利用上面的公式求出q或q0之后,即可分別求出點(diǎn)接觸、線接觸情形下的鋼絲之間的接觸應(yīng)力。線接觸時(shí):a、b的大小與兩接觸面的材料和幾何形狀有關(guān)。(二)用鋼絲繩連接繩索車輪時(shí)，鋼絲繩的彎曲應(yīng)力式中:β——鋼絲捻角;δ——鋼絲直徑;Ds——繩輪直徑(即鋼絲彎曲曲率半徑);E——鋼絲的彈性模量;三、幾何模型的建立及仿真通過鋼絲繩的力學(xué)計(jì)算方程,使用Matlab軟件編程根據(jù)單股1×7規(guī)格鋼絲繩其中心鋼絲與其側(cè)線鋼絲之間應(yīng)力計(jì)算,計(jì)算參數(shù)列表如表1。在驗(yàn)證鋼絲繩的力學(xué)模型正確性時(shí),依據(jù)空間一次螺旋線方程,通過proe軟件建立1×7鋼絲繩的具體幾何模型,進(jìn)而導(dǎo)入至Ansys有限元軟件中進(jìn)行有限元分析計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果如表2。有限元Ansys軟件仿真結(jié)果證明了單股鋼絲繩受力模型的正確性。繩輪繞制鋼絲繩時(shí)其彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3,所用鋼絲繩信號(hào)為6X19S+FC,股號(hào)從a到f。通過表3與表2的計(jì)算結(jié)果相比可知,其內(nèi)部彎曲應(yīng)力相對(duì)鋼絲繩中心鋼絲與側(cè)線鋼絲之間的接觸應(yīng)力小得多?？芍?造成鋼絲繩失效主要為內(nèi)部鋼絲之間的接觸應(yīng)力,以及應(yīng)力作用下鋼絲之間的磨損破壞。四、建立了本構(gòu)模型的建立文中建立了普通鋼絲繩受拉和彎曲狀態(tài)下的相關(guān)力學(xué)模型;通過三維CAD軟件proe建立了實(shí)體模型,并通過Ansys有限元分析軟件中進(jìn)行力學(xué)分析;結(jié)果表明,所建立模型正確,為鋼絲繩工程應(yīng)用中力學(xué)分析及其失效機(jī)理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壽命分析等方面研究提供理論指導(dǎo)。i——股的層次及位號(hào);k——鋼絲的層次代號(hào)。2、鋼絲繩內(nèi)接觸應(yīng)力式中:q——絲(或股)的徑向接觸載荷;F——絲(或股)所受的張力FS(