编织型钢丝绳拉伸载荷作用下的力学特性研究

摘要

近年来，国家电网特高压线路建设快速发展，张力架线是电网输电线路建设的主要作业形式。编织型钢丝绳因具有不旋转特性，故而在电力系统张力架线作业中作为引导绳和牵引绳被广泛应用。编织型钢丝绳在服役过程中承受着拉伸、弯曲和扭转等载荷的作用。由于其自身结构的复杂性使得编织型钢丝绳在承载之后的内部受力状态极其复杂。编织型钢丝绳承载后绳股的应力分布及大小对于该类钢丝绳的强度、失效、寿命、安全使用和设计制造等具有重要影响，因此对编织型钢丝绳进行拉伸载荷作用下的力学特性研究具有重要的意义。
　　本文以输电线路张力架线中常用的YS9-8×19编织型钢丝绳为研究对象，对其拉伸载荷作用下的力学特性开展了理论分析、数值模拟及拉伸试验研究。主要研究内容如下：
　　（1）分析四方八股编织型钢丝绳截面的绳股位置分布图，结合编织型钢丝绳实际生产工艺，提出了编织型钢丝绳的成形假设；分析编织型钢丝绳的结构特点及钢丝的空间缠绕关系，应用微分几何学相关理论及空间坐标变换原理，推导出编织型钢丝绳钢丝的空间曲线参数方程，建立了编织型钢丝绳的数学模型，为编织型钢丝绳的几何特性分析及几何建模奠定了基础。
　　（2）基于编织型钢丝绳的数学模型，对编织型钢丝绳的曲率及挠率计算方法进行了理论推导。通过MATLAB编程计算得到了曲率及挠率的变化规律图，分析了相关参数对曲率及挠率变化特性的影响，对编织型钢丝绳的编织工艺提出了指导性建议，也为该类钢丝绳的力学特性分析提供了依据；同时借助编织型钢丝绳的数学模型，在 Pro/E中建立了YS9-8×19编织型钢丝绳的几何模型，为进行编织型钢丝绳拉伸载荷作用下的数值模拟奠定了基础。
　　（3）以 YS9-8×19编织型钢丝绳为研究对象，在构建其几何模型基础上，基于ANSYS Workbench建立了拉伸载荷作用下的有限元计算模型，进行数值模拟计算；分析数值模拟计算结果，获得了绳股的应力、变形及接触应力、摩擦应力的分布规律，这与曲率对绳股应力影响的分析呈现出一致性；针对绳股间的摩擦系数对力学特性的影响进行了研究，分析了摩擦系数对绳股应力、变形及接触应力、摩擦应力的影响，研究结论可为该类钢丝绳的实际使用提供指导。
　　（4）选用 YS9-8×19型号的编织型钢丝绳，利用钢丝绳卧式拉力试验机对其进行了拉伸试验。测量不同拉伸载荷作用下钢丝绳的轴向变形量，得到拉力—变形曲线图，并与数值模拟结果进行了对比分析，从而验证了编织型钢丝绳数学模型及数值模拟结果的合理性；同时分析了误差产生的原因，为进一步修正有限元计算模型提供了参考。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

第二章 编织型钢丝绳数学模型及空间几何模型建立

2.1 引言

2.2 编织型钢丝绳数学模型的建立

2.3 编织型钢丝绳几何特性分析

2.4 编织型钢丝绳几何模型构建

2.5 本章小结

第三章 编织型钢丝绳拉伸载荷作用下的数值模拟

3.1 引言

3.2 接触算法的选择

3.3 编织型钢丝绳有限元模型建立

3.4 数值模拟结果与分析

3.5 摩擦系数对钢丝绳数值模拟结果的影响

3.6 本章小结

第四章 编织型钢丝绳拉伸试验及结果分析

4.1 引言

4.2 试验目的与方案

4.3. 试验材料与设备

4.4 试验方法与过程

4. 5试验结果与分析

4. 6本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录