钢丝绳股内钢丝的载荷分布

应用微分几何理论分析钢丝绳结构特点及钢丝的空间螺旋缠绕关系,利用ANSYS软件开发常用的几种金属绳芯钢丝绳的建模程序,建立6×19IWS右同向捻和右交互捻两种钢丝绳的几何模型.通过适当的网格划分得到了钢丝绳的有限元模型,以钢丝绳一端约束三个方向自由度,另一端施加轴向集中载荷作为加载工况,确立模型求解的边界条件,并进行数值模拟.分析数值模拟结果,得出钢丝绳股内处于不同位置钢丝在长度方向上应力呈螺旋状分布,钢丝截面上应力呈中心对称分布的规律,对照分析两种捻向组合钢丝绳中对应钢丝的应力分布规律,指出捻向组合对钢丝绳股中钢丝应力分布的影响.确立钢丝绳拉伸试验方案,进行6×19IWS钢丝绳拉伸试验,用四种载荷下的拉伸变形量验证了数值模拟结果,试验结果与模拟结果基本吻合.     

钢丝绳应力场与疲劳寿命研究

钢丝绳以独特的螺旋结构广泛应用于起重装备中,其应力与疲劳寿命特性是评价钢丝绳工作性能的重要指标。基于SolidWorks-ANSYS平台,运用空间扭曲特征建立一个完整捻距钢丝绳模型,结合虚拟疲劳寿命分析方法,对不同钢丝捻矩6×7+IWS型钢丝绳进行应力与疲劳寿命有限元分析。通过分析发现,6×7+IWS型钢丝绳芯股主要承担着轴向载荷的作用,钢丝捻距的大小影响着钢丝绳的应力分布特性,同时应力大小决定着钢丝绳的疲劳寿命,应力越大疲劳寿命越小。研究结果表明,选取合适的钢丝捻距值,直径、侧股捻距的6×7+IWS型钢丝绳采用钢丝捻距,能有效改善钢丝绳应力分布和提高疲劳寿命,更好的满足工作要求。     

6×7+IWS双螺旋钢丝曲率和挠率及其应力变化特性

为了掌握提升钢丝绳内部钢丝在波动载荷下的应力状态变化,针对典型钢丝绳6×7+IWS,推导轴向载荷下螺旋钢丝螺旋角变化量的显式表达式,给出钢丝绳侧股双螺旋钢丝的曲率、挠率和应力波动表达式.分析结果表明,钢丝绳在轴向载荷下,同向和交互捻制的钢丝绳中螺旋钢丝的螺旋角随载荷线性增加,其侧股螺旋钢丝的曲率和挠率随自身旋转角的变化呈360°周期变化;靠近独立股外侧时钢丝的曲率最大,而其挠率则最小,侧股内侧则相反;同向捻制钢丝绳侧股螺旋钢丝的曲率及其波动载荷下弯曲应力变化幅度远大于交互捻制钢丝绳.     

钢丝绳三维有限元建模及静态拉伸应力状态分析

钢丝绳由多根高强度钢丝捻制而成,具有强度高、柔性好、承载力强等特点,在矿山、码头、交通等领域得到了广泛的应用。根据钢丝绳的几何结构特点,建立了7×7交互捻的钢丝绳三维有限元模型,并分析了钢丝直径、中心股捻距、外层股捻距和整绳捻距对钢丝绳周期性的影响。采用ANSYS进行优化参数的有限元模型进行静态拉伸载荷下的应力-应变曲线和各钢丝的应力状态分析,并分析了第一强度理论和第三强度理论的适用性。建立的钢丝绳三维有限元模型及应力状态分析与静态拉伸试验结果吻合良好,表明了建立的钢丝绳三维有限建模的有效性,具有重要的工程意义和实用价值。     

6×7＋IWS双螺旋钢丝曲率和挠率及其应力变化特性

为了掌握提升钢丝绳内部钢丝在波动载荷下的应力状态变化,针对典型钢丝绳6×7＋IWS,推导轴向载荷下螺旋钢丝螺旋角变化量的显式表达式,给出钢丝绳侧股双螺旋钢丝的曲率、挠率和应力波动表达式。分析结果表明,钢丝绳在轴向载荷下,同向和交互捻制的钢丝绳中螺旋钢丝的螺旋角随载荷线性增加,其侧股螺旋钢丝的曲率和挠率随自身旋转角的变化呈360°周期变化;靠近独立股外侧时钢丝的曲率最大,而其挠率则最小,侧股内侧则相反;同向捻制钢丝绳侧股螺旋钢丝的曲率及其波动载荷下弯曲应力变化幅度远大于交互捻制钢丝绳。     

钢丝绳三维接触模型及丝间应力分布研究

建立了1×19IWS钢丝绳三维接触模型,该模型采用Splitting-pinball算法进行接触位置搜索,采用Augmented-Lagrangian算法进行接触载荷计算。对模型施加拉伸载荷,应用有限元进行了计算。分析计算结果,得出了钢丝沿轴线方向及在钢丝横截面内的应力分布规律;对照摩擦因数分别取0.10、0.11、0.12时的计算结果,得出摩擦因数对钢丝应力的影响规律,摩擦因数对钢丝切应力影响显著。分析了5个不同捻距倍数的钢丝绳计算结果,得出了捻距倍数对钢丝应力的影响规律,钢丝vonMises应力随捻距倍数增大而增大,但增大不明显,钢丝切应力随捻距倍数增大而减小,且在捻距倍数较小时变化幅度较大。进行了钢丝绳拉伸变形试验,试验结果与计算结果一致,说明所选用的模型是合理的。     

基于MATLAB的O形钢丝绳隔振器绳环参数化设计

钢丝绳环是O形钢丝绳隔振器的关键隔振元件。针对钢丝绳环几何建模困难、耗时长的问题,文中在分析绳环几何结构的基础上,采用空间坐标轴变换方法,建立了点接触钢丝绳环中各钢丝中心线的空间曲线数学方程,推导出不同规格钢丝绳环几何关系的精确数学模型。基于MATLAB建立了6×19+IWS右交互捻钢丝绳环的参数化方程,并利用GUIDE模块实现了钢丝绳环参数化设计图形用户界面的可视化。最后,以某种已知结构参数的钢丝绳环为例,设计出6种空间位置的钢丝中心线曲线,通过提取数据导入Creo中扫掠阵列,成功建立了钢丝绳环的三维实体模型。该研究为O形钢丝绳环参数化设计提供了一种简单高效的设计方法,并以某个6×19+IWS右交互捻钢丝绳环参数化设计为例,验证了该方法的有效性,为O形钢丝绳隔振器隔振性能的深入研究奠定基础。     

多层股钢丝绳直线张拉状态下接触磨损机理研究

为了解多层股钢丝绳内部接触磨损情况,通过不同方法对其在直线张拉状态下的力学特性进行了研究。基于Costello的普通钢丝绳弹性理论,建立了拉力作用下直线状态钢丝绳的受力模型,以18×7+IWS多层股钢丝绳为例,计算得出多层股钢丝绳不同层绳股的应力变化情况;根据钢丝绳的空间几何结构,分析钢丝在接触状态下的受力情况,研究了钢丝接触应力的大小和钢丝间的滑动位移量对钢丝接触状态和钢丝疲劳磨损的影响;利用Abaqus对钢丝绳进行有限元静力学分析,研究了绳股钢丝间的应力变形情况;最后在DIC-MTS试验台进行了钢丝绳直线状态下的拉伸实验,从力学角度分析了多层股钢丝绳疲劳损伤的主要原因,对上述理论分析进行了验证,并得出了多层股钢丝绳在使用中其失效先从内部磨损开始,继而扩展断裂的结论。     

基于Pro/E的圆弧弯曲钢丝绳建模理论及几何实现

为了精确建立多股圆弧弯曲钢丝绳空间实体模型,对双螺旋钢丝绳各钢丝空间几何位置关系进行了分析,运用空间坐标变换理论建立了圆弧弯曲钢丝绳数学模型,推导出圆弧弯曲钢丝绳各钢丝中心线的参数方程,结合Pro/E的参数化建模和曲面造型功能,完成了6×7IWS圆弧弯曲钢丝绳几何模型的建立。所获结论为弯曲状态螺旋钢丝绳数学模型的建立奠定了理论基础,为圆弧弯曲状态下钢丝绳的弹性特性理论分析提供了可能。     

抹灰机器人钢丝绳应力与疲劳分析

为了研究抹灰机器人正常工作下的使用寿命，对承载部件钢丝绳进行疲劳寿命计算。建立抹灰机器人中6*7+IWS钢丝绳模型并进行有限元分析，得到了抹灰机器人正常工作下钢丝绳拉伸与弯曲的应力位移分布情况，然后结合S-N曲线对钢丝绳进行疲劳分析。结果表明：拉伸时最大应力处于钢丝绳两端处中心钢丝与周围钢丝的接触位置，最大位移位于钢丝绳绳左端离中心最远的钢丝，寿命最小为绳芯中心钢丝与周围钢丝的接触位置；弯曲时最大应力位于绳股外侧钢丝与中心钢丝接触位置，最大位移位于离滑轮最远处绳股外侧钢丝，最小寿命为绳股中心钢丝与外侧钢丝接触位置。     

钢丝绳弱磁探伤数值模拟及实验研究

在对绞线钢丝绳3D建模的基础上,采用有限元技术,分析了弱磁励磁状态下,钢丝绳复杂表面的磁场分布;对钢丝绳周围空气中的漏磁场矢量进行了仿真,研究了缺陷对钢丝绳表面及空间漏磁场分布的影响。仿真分析结果表明:在无缺陷状态下,钢丝绳周边空气中的漏磁场分布与其绳股形状相对应,其圆周方向的漏磁场呈周期性变化,周期为绳股节距;当缺陷存在时,漏磁场分布的周期性被破坏,且幅值大幅增加。依据理论分析结果,搭建了基于弱磁励磁的钢丝绳无损探伤实验平台,得到了不同断丝缺陷的漏磁场实测波形,实验结果验证了仿真分析结果的正确性。     

捻距单股钢丝绳侧丝与股芯的应力场研究

基于SolidWorks-Ansys平台,以IWRC1×7线接触单股钢丝绳为研究对象,在侧丝与股芯之间建立一种新的凹凸匹配小面接触模型,对已建立的有限元模型施加合适的边界条件和载荷,对奇偶捻距侧丝以及多捻距侧丝与股芯进行应力场分析,从而得到侧丝以及绳股在单向拉伸载荷作用下各自的应力场分布。分析表明:捻距数目为偶数的侧丝应力集中的最大应力值要小于捻距数目为奇数侧丝的最大应力值;多捻距单股钢丝绳应力最大值发生在施加载荷端第一个捻距中部,一个捻距的应力最大值明显大于多个捻距的应力最大值,并且随着捻距数目的增加,最大接触应力值成波浪式下降趋势。     

便携式钢丝绳在线检测仪研究

钢丝绳无损检测目的是保证钢丝绳的安全运行,并在这个前提下减少因盲目更换而产生的浪费。针对目前钢丝绳检测难以实现实时在线检测、细小钢丝绳易漏检,现场走绳速度变化影响检测结果等缺陷,采用漏磁法及数字信号处理器DSP设计了实时在线钢丝绳检测系统。详细阐述了系统的检测原理、硬件结构以及软件设计方案。实际应用表明:该检测系统准确可靠,智能化程度高,安装操作简便,同时能适应走绳速度不均匀等环境较为恶劣的现场使用。     

A concise finite element model for simple straight wire rope strand

Due to its complex geometry, a wire in a rope is subjected to the combined effects of tension, shear, bending, torsion, contact, friction and possible local plastic yielding when loaded. In this paper an accurate and general strand model using the finite element method (FEM) is presented. The model is capable of taking into account all the above effects and has been successfully used to predict the global behaviour of simple straight wire rope strand as well as the stress distribution within the wires under axial loads (tensile and torsional). In simplifying the finite element model, precise boundary conditions were developed. The finite element analysis results showed excellent agreement with the analytical theory of Costello and the experimental results of Utting and Jones. By using the model developed in this paper, localised highly non-linear phenomena such as contact stress, residual stress, friction and plastic deformation can be studied effectively.     

不同槽型小车牵引钢丝绳夹绳板性能研究

对采用不同槽型结构的钢丝绳夹绳板在不同夹紧力情况下进行拉力实验,通过实验,比较几种不同绳槽型式的小车牵引钢丝绳夹绳板在不同夹紧力下的摩擦因数、钢丝绳的破断拉力以及钢丝绳滑移后夹绳板的磨损情况及钢丝绳的损坏状况。根据实验数据选择适合的夹绳板构造,提高夹绳板钢丝绳固定端连接的可靠性,从而达到减少钢丝绳在使用过程中过早失效或断裂的恶性事故的发生。     

An analytical study on the static vertical stiffness of wire rope isolators

The vibrations caused by earthquake ground motions or the operations of heavy machineries can affect the functionality of equipment and cause damages to the hosting structures and surrounding equipment. A Wire rope isolator (WRI), which is a type of passive isolator known to be effective in isolating shocks and vibrations, can be used for vibration isolation of lightweight structures and equipment. The primary advantage of the WRI is that it can provide isolation in all three planes and in any orientation. The load-supporting capability of the WRI is identified from the static stiffness in the loading direction. Static stiffness mainly depends on the geometrical and material properties of the WRI. This study develops an analytical model for the static stiffness in the vertical direction by using Castigliano’s second theorem. The model is validated by using the experimental results obtained from a series of monotonic loading tests. The flexural rigidity of the wire ropes required in the model is obtained from the transverse bending test. Then, the analytical model is used to conduct a parametric analysis on the effects of wire rope diameter, width, height, and number of turns (loops) on vertical stiffness. The wire rope diameter influences stiffness more than the other geometric parameters. The developed model can be accurately used for the evaluation and design of WRIs.     

大型抓斗卸船机起升系统钢丝绳工作特性研究

卸船机传动系统在变速变载的复杂工况下,将产生较大的动载荷并传递给钢丝绳,产生振动与疲劳.通过分析2 250 t.h-1大型抓斗卸船机传动系统的工作原理,建立起升、开闭钢丝绳的载荷谱和受力模型,并建立了钢丝绳的有限元模型,分析了钢丝绳在最大载荷作用下的静力学特性和开闭工况下动态响应,得到了钢丝绳在工作状态的应力与变形规律,为卸船机的使用、保养和维护提供了参考.     

起重机钢丝绳关键部位磨损失效机理研究

针对现有起重机钢丝绳的失效形式,从处于负载工作状态钢丝绳的三个关键部位-自由段、与滑轮接触啮合段和滚筒缠绕段-分析钢丝绳的受力状况,尤其分析钢丝绳受到的挤压力和摩擦力,导出钢丝绳内股与股和丝与丝之间、钢丝绳与滑轮之间、钢丝绳与滚筒上缠绕钢丝绳之间的摩擦磨损机理,为实际工作提供了指导的理论依据。     

A concise finite element model for three-layered straight wire rope strand

A concise finite element model (FEM) of three-layered straight helical wire rope strand under axial loads (tensile and torsional) is presented in this paper. Three-dimensional solid elements were used for structural discretization. The helical symmetry of the strand was used to establish accurate boundary conditions. Contact, friction and plastic yielding were also taken into account. For the global behaviour of wire rope strand, i.e. load vs. strain and load vs. torque (fixed-end) or load vs. strand twist rate (free-end), the finite element results showed better agreement with the experimental results of Utting and Jones (Journal of Strain Analysis for Engineering Design 1988;23(2):79–86) than those calculated using the analytical strand model of Costello (Theory of Wire Rope, 2nd ed. New York: Springer, 1997). In addition, the FE model allows the localised stress distribution to be determined. In particular, this model reveals the non-uniform stress distribution in the outer layer helical wires caused by the trellis point contact. This is particularly relevant in the fixed-end case, where the present analysis predicts an axial tensile rigidity in good agreement with the experimental observations (Utting and Jones), whereas Costello’s model predicts a significantly higher rigidity.     

钢丝绳失效机理的研究

钢丝绳广泛应用于各种场合,同时也存在众多安全隐患。本文分析了钢丝绳使用分类及其受载情况和在不同使用情况下的失效形式及其产生机理。指出钢丝绳在使用过程中必须综合考虑多种失效因素,及时杜绝危险的产生。