張瑾 陳向陽 唐文亭 劉力紅

摘要：為提高鋼絲繩的安全性，最大限度發(fā)揮材料性能，合理地設(shè)計和制造滿足各種性能要求的鋼絲繩產(chǎn)品，采用UG軟件對1×7+IWS結(jié)構(gòu)的圓股鋼絲繩進行三維實體建模，然后通過UG與ANSYS的接口導(dǎo)入ANSYS中。采用面—面接觸求解方法，對導(dǎo)入的鋼絲繩實體進行有限元網(wǎng)格劃分、建立接觸對和施加約束并求解。研究了捻距S對服役中的鋼絲繩應(yīng)力應(yīng)變的影響，得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變云圖，為鋼絲繩的設(shè)計和改進提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩；有限元分析；ANSYS；應(yīng)力應(yīng)變

中圖分類號：TH123.4 文獻標(biāo)志碼：A[WT]文章編號：1672-1098（2014）03-0083-04

鋼絲繩是一種重要的空間螺旋結(jié)構(gòu)制品，具有高強度、柔軟性和穩(wěn)定可靠的特點，因而被廣泛用于建筑、礦井、交通、通訊和航空等領(lǐng)域[1]。由于鋼絲繩本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在服役中繩股處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，不僅承受著連續(xù)拉力，而且承受著彎曲力、剪切力及摩擦力等。傳統(tǒng)的受力分析方法無法對其進行準(zhǔn)確的求解，諸多研究主要采用理論或?qū)嶒灱澳M方法來分析鋼絲繩的力學(xué)行為。如Hall[2]曾假設(shè)繩股中每根鋼絲只承受簡單拉伸，并認為鋼絲繩芯部的應(yīng)力小于周圍繩股的應(yīng)力。Hruska[3]考慮了繩股及鋼絲之間的摩擦力，并進一步研究導(dǎo)致鋼絲中切向、徑向和拉伸力的表達形式。Costello和Phillips[4-5]考慮了鋼絲半徑和螺旋角的變化及其作用于鋼絲上的彎矩和扭矩，計算出在軸向力、彎曲、扭轉(zhuǎn)和接觸影響等作用下的應(yīng)力。國內(nèi)對鋼絲繩的研究相對還不是很多。文獻[6-7]都對鋼絲繩中鋼絲間微動磨損對其疲勞性能的影響進行了研究。華中科技大學(xué)塑性成形模擬與模具技術(shù)國家重點實驗室對鋼絲繩捻制成形數(shù)值模擬與制品力學(xué)強度進行了分析[8]。但是關(guān)于捻距S對服役中鋼絲繩的應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值分析還未見報道。在捻股或捻繩中，基本參數(shù)捻距S是影響鋼絲繩壽命的主要因素之一。選擇合理的捻距S有助于提高鋼絲繩的安全性，最大限度發(fā)揮材料性能，合理地設(shè)計和制造滿足各種性能要求的鋼絲繩產(chǎn)品。

1幾何結(jié)構(gòu)及有限元模型

本文以同向捻制的1×7+IWS型鋼絲繩為例，借助UG軟件建立其半?yún)?shù)化幾何模型，幾何參數(shù)為：繩芯鋼絲直徑2.66 mm，側(cè)股鋼絲直徑為2.34 mm，摩擦系數(shù)為0.1，捻距S變化值為42.3mm、47.3 mm、52.3 mm、57.3 mm、62.3 mm，股的旋向為右旋。將三維實體模型通過UG與ANSYS的接口導(dǎo)入ANSYS軟件中。繩芯和繩股均使用三維8節(jié)點實體單元SOLID45，通過掃掠網(wǎng)格劃分命令（SWEEP），對鋼絲繩進行網(wǎng)格劃分，其有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。整個模型共生成單元數(shù)為199 954，節(jié)點數(shù)為227 665。圖11×7+IWS鋼絲繩有限元網(wǎng)格模型

2材料性質(zhì)與計算條件

采用JIS SWRS72A鋼線，在常溫下該鋼絲的材料屬性[9] 如表1所示。

3創(chuàng)建接觸對

根據(jù)接觸單元不得穿透目標(biāo)面，但目標(biāo)單元可以穿透接觸面的原則[10]，在建立繩芯和繩股的接觸時，繩芯為接觸面，繩股為目標(biāo)面；在建立外層相鄰繩股的接觸時，每根繩股既做接觸面又做目標(biāo)面。目標(biāo)單元和接觸單元分別設(shè)置為TARGEl70和CONTA174[11]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，共建立12對接觸對，其中兩對接觸對如圖2所示。將其接觸剛度因子FKN和拉格朗日算法允許的最大滲透值FTOLN均設(shè)置為0.1[12-13]。a. 股與芯的接觸對 b. 股與股的接觸對

4邊界條件與加載方式

圖3為同向捻制的1×7+IWS結(jié)構(gòu)鋼絲繩受載示意圖。F和M分別為其所受的軸向力和軸向力矩。通過改變鋼絲繩捻距S值進行有限元模擬，以得到捻距S變化時對服役中鋼絲繩應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。圖3載荷示意圖

5模擬結(jié)果分析

5.1Von-Mises等效應(yīng)力

6結(jié)論

1） 利用UG軟件建立1×7+IWS鋼絲繩參數(shù)化設(shè)計模型，并將其導(dǎo)入ANSYS中生成有限元分析模型，對在捻距S不同的條件下的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，該建模及分析方法適用于交互捻制或同向捻制類似結(jié)構(gòu)的幾何模型。

2） 證實了鋼絲繩在實際的應(yīng)用中，捻距S不能過大或過小，并且每種結(jié)構(gòu)類型鋼絲都有一個最佳捻距的生產(chǎn)要求。

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（責(zé)任編輯：李麗 范君）