提升钢丝绳断丝有限元仿真分析

提升钢丝绳断丝有限元仿真分析

成忠

（重庆交通大学交通运输学院，重庆400074）

摘要：以1*7钢丝绳为研究对象，为了分析在钢丝绳完整和一根侧丝断裂的情况下其接触性能。采用Creo软件和钢丝绳侧丝轴线空间方程对完整钢丝绳进行建模，使用分割命令对一根断丝钢丝绳进行建模。分别对完整钢丝绳和一根侧丝断裂的钢丝绳施加10000N的轴向集中拉力，仿真分析其应力分布。结果表明，两种钢丝绳的应力最大位置都在端面上，变形从加载部位到固定部位呈减少趋势。

关键词：钢丝绳；ABAQUS；应力分布

1  引言

钢丝绳具有强度高、韧性好、工作平稳可靠、在高速工作条件下运行或卷绕无噪声、承受动载能力强等优点，在工业领域如汽车起重机、矿山、建筑、石油燃气开采、军工、航天等具有广泛的应用。作为承重构件，钢丝绳在恶劣服役工况下一旦发生磨损、锈蚀、疲劳以致断裂等失效现象，将严重影响相关设备机器稳定运行和人员安全[1]。由于钢丝绳作用领域之广，可造成的危害很大，所以人们高度重视钢丝绳的安全性。虽然传统的试验方法可以较准确的获得钢丝绳的各种特性，但是传统试验方法也存在试验成本高，难以重复试验等情况，同时，随着有限元和计算机技术的不断发展，可以准确获取传统方法所不能得到的钢丝绳局部应力、变形等数据，传统方法现在大多都作为仿真后结果的验证，可以大大提高效率，降低成本，因此，开始有更多的学者利用有限元技术，对钢丝绳的疲劳寿命及其他服役性能进行分析。

郝雪弟等[2]建立了井塔式摩擦提升系统有限元模型，探究了不同钢丝绳围包角对提升钢丝绳动张力和疲劳特性的影响。Wang等应用微分几何的相关理论推导出钢丝绳的空间曲线参数方程，在此基础上通过数值分析揭示了钢丝绳股沿钢丝绳轴线方向和股截面上的应力和变形分布规律。马保珠等[3]为定量分析钢丝绳断丝数对余下钢丝应力分布的影响，采用1*7+IWS结构的钢丝绳为研究对象，仿真分析其在同一轴向载荷下，钢丝断丝数对其应力分布和轴向变形的影响，探究钢丝绳的断丝规律。所以本文采用有限元法来分析钢丝绳受集中拉力时，研究完整和断一根侧丝情况下钢丝绳的变形和受力情况。

2  模型的建立仿真

本文采用Creo建立1*7钢丝绳几何模型，在Creo软件中利用曲线-来自方程的曲线将侧丝路径导入到软件里面，在草图上绘制侧丝截面圆，通过路径扫描生成钢丝绳的侧丝，之后通过Creo里面的阵列命令生成完整的钢丝绳模型，断裂钢丝绳采用Creo里面的分割命令将一根侧丝一分为二。

（1）本文所采用的有限元软件为ABAQUS，经过数代的更新，ABAQUS有其独特的优势。将Creo软件中建立的钢丝绳模型导入到ABAQUS有限元软件中，钢丝绳的芯丝和侧丝均为优质碳素钢，为各向同性材料，其杨氏模量为E=2.1*105Mpa，泊松比为μ=0.3，摩擦系数为0.115。在此次钢丝绳的网格划分中，采用默认设置，采用的网格单元形状为六面体，采用扫掠技术中性轴算法来划分网格，单元格的类型为C3D8R，在控制网格数量的全局尺寸方面，经过多次的试验调整，在满足求解的精度又不至于过分浪费计算机资源的情况下，设定的全局尺寸为10比较合理。经过以上数据的调整，得到整个有限元模型网格划分后的单元数为169764，节点数为199857。

（2）在芯丝与侧丝和侧丝与侧丝之间需要定义接触属性，接触规则采用通用接触，通是一种高度自动化的接触定义方式，它能够自动识别和定义模型中可能发生的多个接触区域，无需用户显式地为每一对可能接触的面或区域定义接触对。

（3）在钢丝绳两端面创建两个参考点，将端面耦合到该参考点上，一个参考点施加完全固定约束，另一参考点施加10000N的轴向集中力。

3  结果与讨论

图1和图2分别表示完整钢丝绳的应力云图和断一根侧丝时的应力云图，从图中可以看出对于完整钢丝绳，由于在钢丝绳两端施加了耦合约束，所以两端的应力最大，中间部分的应力相较于钢丝绳两端来说反而较小，且钢丝绳两端应力较大的位置可以从图中看出为侧丝与侧丝的接触部位和芯丝与侧丝的接触部位，六根侧丝的应力分布规律几乎一致。对于断一根侧丝的钢丝绳，断丝几乎不承受力，只起支撑作用，其余侧丝的应力分布也变得不一致，不过应力最大部位仍然是芯丝与侧丝的接触部分。

图1 完整钢丝应力云图

图2 断一根侧丝应力云图

图3和图4分别表示钢丝绳在拉升作用下得到的变形云图，由图可知，对于完整钢丝绳，钢丝绳内部的最大变形发生在施加集中力的端面上，变形从加载部位到固定部位呈减少趋势。对于断一根侧丝的钢丝绳，钢丝绳的最大变形出处仍然在钢丝绳施加集中力的端面处，除断掉的侧丝以外，变形从加载部位到固定部位呈减少趋势。

图3 完整钢丝变形云图

图4 断一根侧丝变形云图

4  总结

本文通过采用Creo软件建立精确的1×7钢丝绳几何模型，并采用Creo里面分割命令实现了断丝的模拟。本文通过ABAQUS对钢丝绳在集中拉力作用下的变形与受力情况进行分析，不仅深入探讨了完整钢丝绳的力学性能，还进一步模拟了断一根侧丝这一典型损伤状态下的性能变化，分别得到了钢丝绳的最大与最小应力位置。

参考文献

[1]李艳. 甘肃煤矿升井事故:钢丝绳牵系的生命 [J]. 安全与健康, 2012, (21): 24.

[2]郝雪弟, 田凯, 高传, et al. 深井多绳摩擦式提升机钢丝绳强度综合仿真研究 [J]. 煤矿机械, 2021, 42(03): 28-31.

[3]马保珠, 杜文正, 孟亮, et al. 1×7+IWS钢丝绳断丝规律有限元仿真分析 [J]. 机械设计, 2022, 39(S2): 168-72.