钢丝绳内在特性和力学性能的研究

摘要

钢丝绳是一种柔性的空间螺旋结构钢制品，具有柔软性、阻尼吸收和强度高的特点，被广泛地应用于建筑、桥梁、机械加工、矿山生产、通信、交通和航空航天等领域，其安全性能至关重要。钢丝绳结构及受力比较复杂，它在工作过程中承受拉伸、弯曲、扭转和接触应力以及动载荷的作用。钢丝绳是由高强度非合金碳素钢的钢丝经过盘条、热处理、酸洗、拔丝和捻股等工艺制成，因此钢丝的力学性能的好坏直接影响着整个钢丝绳的力学性能。钢丝绳的受力状态难以测量，钢丝绳股内钢丝的应力大小及分布对于钢丝绳的强度、使用寿命和安全评估具有重要影响，为保证钢丝绳的在规定期限内安全、高效运行，研究钢丝绳的内在特性和力学性能非常必要，对于钢丝绳的选型、结构设计及使用维护方面也具有重要意义。
　　本课题通过分析钢丝绳结构特点及钢丝的空间螺旋缠绕关系，建立了一次捻制钢丝在平直和弯曲状态下数学模型，在此基础上应用微分几何理论建立了空间曲线Frenet-Serret标架图，分别推导了二次捻制钢丝在平直和弯曲状态的空间矢量表达式;采用空间曲线的曲率和挠率计算方法和应用matlab编程程序，分别计算并分析了1×37IWS钢丝绳和6×36WS+IWRC多股钢丝绳股内钢丝在平直和弯曲状态的曲率、挠率大小及分布;基于Costello的钢丝绳弹性理论，分析了钢丝加载后受力及变形特点，推导了绳股与多股钢丝绳股内钢丝的拉伸应力和由拉伸产生的附加应力表达式;分别计算并分析了平直1×37IWS钢丝绳和6×36WS+IWRC钢丝绳在外部载荷作用下股内钢丝的拉伸和附加应力大小及分布规律;理论分析绳股由平直变为弯曲状态曲率的变化特性，计算并分析1×37IWS钢丝绳和6×36WS+IWRC钢丝绳在绳槽中股内钢丝的弯曲应力大小及分布。
　　基于三维建模软件Pro/E和分析软件ANSYS Workbench建立了钢丝绳的三维实体模型和有限元分析模型。采用Augmented-Lagrangian算法，添加并设置了股内钢丝之间、钢丝与滑轮和摩擦天轮之间的接触模型和接触参数，结合相应的边界条件进行加载分析，模拟仿真了平直状态下1×37IWS钢丝绳和6×36WS+IWRC钢丝绳股内钢丝应力及变形分布;模拟仿真了弯曲状态下1×37IWS钢丝绳和6×7IWS钢丝绳股内钢丝应力及变形分布。最后对6×7IWR+FC钢丝绳和6×36WS+FC钢丝绳进行了拆股实验，得到钢丝的破断拉力、弯折次数和扭断次数，采用数理统计的方法分析不同捻制方式对钢丝力学性能的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 钢丝绳类型及其特点

1．2．1 钢丝绳用途分类

1．2．2 钢丝绳结构分类

1．3 钢丝绳力学模型研究现状

1．4 本文研究内容及结构

1．5 本章小结

第二章 平直钢丝绳特性分析

2．1 平直钢丝绳数学模型

2．1．1 钢丝绳捻制成形过程

2．1．2 绳股内钢丝数学模型

2．1．3 多股钢丝绳股内钢丝数学模型

2．2 平直钢丝绳几何特性分析

2．2．1 曲率和挠率的计算方法

2．2．2 1×37IWS钢丝绳的曲率和挠率

2．2．3 6×36WS+IWRC钢丝绳的曲率和挠率

2．3 平直钢丝绳股内钢丝的应力分析

2．3．1 绳股内钢丝的拉伸和附加应力

2．3．2 多股钢丝绳股内钢丝的拉伸和附加应力

2．3．3 1×37IWS钢丝绳股内钢丝应力分析

2．3．4 6×36WS+IWRC钢丝绳股内钢丝应力分析

2．4 本章小结

第三章 弯曲钢丝绳特性分析

3．1 弯曲钢丝绳数学模型

3．1．1 绳股内钢丝数学模型

3．1．2 多股钢丝绳股内钢丝数学模型

3．2 弯曲钢丝绳几何特性分析

3．2．1 1×37IWS钢丝绳的曲率和挠率

3．2．2 6×36WS+IWRC钢丝绳的曲率和挠率

3．3 弯曲钢丝绳股内钢丝的应力分析

3．3．1 弯曲1×37IWS钢丝绳弯曲应力

3．3．2 弯曲6×36WS+IWRC钢丝绳弯曲应力

3．4 本章小结

第四章 钢丝绳股内钢丝应力及变形分布仿真研究

4．1 基于Pro／E软件钢丝绳三维实体建模

4．1．1 Pro／E软件在本课题中的应用

4．1．2 1×37IWS钢丝绳三维实体模型

4．1．3 6×36WS+IWRC钢丝绳三维实体模型

4．2 有限元模型及边界条件

4．2．1 钢丝绳股内钢丝接触模型

4．2．2 钢丝绳在滑轮或摩擦天轮的受力分析

4．2．3 钢丝绳与滑轮或摩擦天轮的接触模型

4．3 1×37IWS钢丝绳股内钢丝应力及变形分布

4．3．1 平直状态模拟仿真结果与分析

4．3．2 弯曲状态模拟仿真结果与分析

4．4 平直6×36WS+IWRC钢丝绳股内钢丝应力及变形分布

4．4．1 外股层钢丝应力分布

4．4．2 外股层钢丝变形分布

4．5 弯曲6×7IWS钢丝绳模拟仿真结果与分析

4．5．1 股内钢丝应力分布

4．5．2 股内钢丝变形分布

4．6 本章小结

第五章 钢丝绳股内钢丝力学性能实验分析

5．1 钢丝绳力学性能试验工艺流程

5．2 钢丝性能实验简介

5．2．1 钢丝的拉伸实验

5．2．2 钢丝的弯折实验

5．2．3 钢丝的扭转实验

5．3 实验结果分析

5．3．1 6×7+FC钢丝绳力学性能实验分析

5．3．2 6×36WS+FC钢丝绳力学性能实验分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 课题主要结论

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目