鋼絲繩復(fù)合套索具壓制成形仿真研究
1引言
鋼絲繩索具是以鋼絲繩為主要原材料，進(jìn)行插編、壓制等深加工，將鋼絲繩的優(yōu)越性能作進(jìn)一步挖掘和發(fā)揮。鋼絲繩壓制索具是指鋼絲繩端部經(jīng)過彎制形成一定尺寸的環(huán)套，端部穿入鋁套或鋼套經(jīng)模具壓制與繩體固結(jié)在一起形成環(huán)眼的索具4。鋼絲繩索具是工程吊裝平臺(tái)起柔性連接的關(guān)鍵部件，具有強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、耐磨性好、撓性好等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于海洋工程、船舶運(yùn)輸、礦山機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)我國重工業(yè)的快速發(fā)展起著重要的作用。
鋼絲繩索具壓制成形過程非常復(fù)雜，鋼絲繩空間螺旋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其受力的復(fù)雜性，它在工作過程中承受拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和股內(nèi)鋼絲之間接觸應(yīng)力。國內(nèi)外學(xué)者建立了單捻鋼絲繩有限元分析模型，分析了在軸向載荷作用下平直單捻鋼絲繩的性能特性4。文獻(xiàn)建立了6X7+IWRC鋼絲繩數(shù)學(xué)模型，分析在不同載荷下鋼絲繩繩芯的應(yīng)變，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)通過采用有限元法建立了1×7鋼絲繩計(jì)算模型，模擬仿真的捻制成形鋼絲殘余應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。文獻(xiàn)進(jìn)行了鋼絲繩成形過程數(shù)值模擬和制品力學(xué)強(qiáng)度分析的研究工作，對(duì)簡單直股和獨(dú)立繩芯進(jìn)行了應(yīng)力分析。
傳統(tǒng)鋼絲繩索具都采用單一的鋼套或鋁合金套固結(jié)方式，鋼套材質(zhì)的高抗拉強(qiáng)度保證了鋼絲繩索具拉力的要求，但由于鋼性材質(zhì)硬度高、壓制時(shí)塑性變形小致使鋼套不能完全與鋼絲繩配合接觸，不能抵抗索具高強(qiáng)度負(fù)載時(shí)的繩套固結(jié)處巨大剪應(yīng)力；然而單一的鋁合金套材質(zhì)由于良好塑性變形能力，能與鋼絲繩完全接觸，保證了索具高強(qiáng)度負(fù)載時(shí)抗剪力能力，但同時(shí)降低了索其抗承載能力。因此整合鋼套高的抗拉強(qiáng)度與鋁合金套高的抗剪強(qiáng)度，提出復(fù)合型固結(jié)索具，即采用鋼套加鋁套的新型壓制固結(jié)方式。根據(jù)鋼絲繩是一種由鋼絲捻制成股、股捻制成繩的空間螺
旋體的特性，應(yīng)用SolidWorks建立1×7+IWS-24mm型鋼絲繩的幾何模型，然后采用ABAQUS軟件并結(jié)合顯示動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鋼
絲繩復(fù)合套不同間隙（O~5）mm和復(fù)合方式（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）進(jìn)行FEA分析。為鋼絲繩復(fù)合套素具的壓制成形以及獲得良
好力學(xué)性能提供理論指導(dǎo)和支撐。
2鋼絲繩復(fù)合套索具結(jié)構(gòu)特征與實(shí)體建模
以1×7+IWS-24mm單股折返型鋼絲繩復(fù)合壓套索具為研
究對(duì)象，IWS代表獨(dú)立鋼芯結(jié)構(gòu)，其芯絲、側(cè)絲直徑均為8mm，鋼絲繩直徑為24mm，捻向?yàn)橛彝蚰?；鋼套的長度為20mm，壁厚為9mm.鋁套長度為50mm，壁厚也為9mm，在單一改變復(fù)合方
式或間隙的同時(shí)復(fù)合套的尺寸參數(shù)保持不變。
基于SolidWorks平臺(tái)，采用參數(shù)化修改法建模方法建立
1x7+IWS-24mm單股折返式鋼絲繩模型，相比完全程序法、曲線插入法等建模方法而言，該方法的優(yōu)勢是只需對(duì)某些特定的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改即可得到需要的模型，適合于建模過程繁瑣、可變
參量少的情況，整個(gè)建模過程方便高效，且得到的模型精確度高。然后將整個(gè)復(fù)合套鋼絲繩索具各個(gè)部件分別進(jìn)行獨(dú)立建模，最后對(duì)鋼絲繩、鋼套、鋁套和上下兩個(gè)模具采用一系列配合約束完成
裝配。該1×7+IWS單股復(fù)合套鋼絲繩索具的幾何模型，如圖1所
示。模具間隙船套
鋼套、鋼絲繩|
圖l鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制模型
Fig.1 Sling Supresion Model of Combination Steel-Alhuminum Sets擬采用單因素控制變量法分別改變間隙和復(fù)合套的復(fù)合方
式來分析復(fù)合套索具成形過程中鋼絲繩的應(yīng)力分布特征，上下模具為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且壓制成形后模具幾乎不變形，其復(fù)合套鋼絲繩
索具的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。
3有限元模型的建立
4復(fù)合套索具壓制成形應(yīng)力分析
3有限元模型的建立
運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)復(fù)合套索具進(jìn)行成形仿真分析研究，首先采用Remove Faces命令將模具實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為模具剛體殼模型，將大量的減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量，以及提高計(jì)算
效率。轉(zhuǎn)化后的幾何模型，如圖2所示。
圖2鋼套-鋁套復(fù)合索具轉(zhuǎn)化模型
Fig2Sling Trunsform Model of Combination Steel-Alumimum Sets鋼絲繩索具壓制成形過程非常復(fù)雜.屬于高度非線性問題，首先由鋼絲繩的點(diǎn)接觸類型，逐漸演變?yōu)榫€接觸，進(jìn)而再轉(zhuǎn)化為
鋼絲繩之間的面接觸。而ABAQUS顯示動(dòng)力學(xué)方法對(duì)處理接觸
條件變化的高度非線性問題非常有效，它的求解方法是在時(shí)間域中以很小的時(shí)間增量步向前推出結(jié)果，而無需在每一個(gè)增量步求
解耦合的方程系統(tǒng)，或者生成總體剛度矩陣，對(duì)任意的拉格朗
日一歐拉（ALE）自適應(yīng)網(wǎng)格功能可以有效地模擬大變形非線性
問題。因而應(yīng)用ABAQUS顯示動(dòng)力學(xué)方法，并采用ABAQUS/
E.splicit 模塊中的General Contact接觸方式?？梢詼?zhǔn)確的模擬壓制成形過程中接觸狀態(tài)的變化。為了達(dá)到合理的仿真效果，需改
變網(wǎng)格種子的大小，并采用Advancing Front網(wǎng)格算法，該算法容易得到大小均勻單元網(wǎng)格，且網(wǎng)格可以與種子的位置良好的吻
合，容易實(shí)現(xiàn)從粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格的過渡。由于鋼絲繩獨(dú)特的空間
螺旋特征，對(duì)鋼絲繩采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分（C3D8R）顯
示單元進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分；復(fù)合套（鋼套和鋁套）結(jié)構(gòu)規(guī)則，故均
采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分（C3D8R）顯示單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；剛體模具采用4節(jié)點(diǎn)四面體線性單元（C3D4）進(jìn)行自
由網(wǎng)格劃分。該1×7+IWS單股復(fù)合套鋼絲繩索具的有限元模型，如圖3所示。
圖3鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制有限元模型
Fig3Sling Supresion FEA Model of Combination Steel-Aluminum Sets
4復(fù)合套索具壓制成形應(yīng)力分析
復(fù)合套之間的間隙（O-5）mm和復(fù)合方式（鋁套-鋼套、鋼套-
鋁套）都直接影響著鋼絲繩的應(yīng)力分布大小，從而影響鋼絲繩的
工作性能。因此，需要對(duì)其應(yīng)力場分布進(jìn)行分析研究，為了得到其應(yīng)力分布特性，對(duì)鋼絲繩索具進(jìn)行FEA分析。首先定義鋼絲繩索具邊界條件：下模具進(jìn)行全約束，即約束6個(gè)自由度，上模具采用
Displacement約束，對(duì)上模具施加向下的24mm的位移載荷。然后運(yùn)用Mises屈服準(zhǔn)則和Prandl-Reuss應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)出彈塑性剛度矩陣，采用Augnmented Lagrange method算法計(jì)算。最后應(yīng)用Dynamic Explicit 求解器對(duì)復(fù)合套索具（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）進(jìn)行壓制成形仿真求解。
4.1鋁套-鋼套復(fù)合索具壓制成形應(yīng)力分析
鋁套-鋼套（鋼套靠近環(huán)眼部位）復(fù)合套復(fù)合方式即將鋼絲
繩末端經(jīng)過彎制先穿入鋼套再穿入鋁套，后經(jīng)模具壓制，與繩體固結(jié)在一起形成環(huán)眼的鋁套-鋼套復(fù)合鋼絲繩索具。改變兩者之
間的間隙配合，從0mm間隙依次增加1mm直到增加到5mm間隙。觀察不同間隙情況下，鋼絲繩在壓制成型后其應(yīng)力的分布特
征和變化趨勢。仿真分析結(jié)果，如圖4-圖5所示。
|8.ma
（a）鋁套-鋼套復(fù)合索具應(yīng)力場（b）鋼絲繩應(yīng)力場
圖4鋁套-鋼套復(fù)合索具、繩應(yīng)力場（2mm間隙）Fig.4 Stress Field of Comthination Wire Rope Rigging af Aluminum-SteelSets and Wire Rope（2mm Gap）
912十
s減906十
904005 1 15 22533.54455翻套-鋼套復(fù)合問隙（mm圖5鋼絲繩最大應(yīng)力值與復(fù)合套間隙的關(guān)系
Fig5 The Relationship between the Macimum Stress Value of Wire Rope and the Clearance of Compasite Sleeve通過對(duì)復(fù)合套（0-5）mm間隙配合的分析發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩最大
應(yīng)力隨間隙的增加呈“V”字型分布，在間隙為2mm時(shí)，鋼絲繩的最大應(yīng)力值最小，為902.4MPa。由于鋼絲繩應(yīng)力大小和分布均勻性與疲勞壽命密切相關(guān)”。因此要以鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻?yàn)樵瓌t，同時(shí)也需綜合考慮復(fù)合套的應(yīng)力分布，而行業(yè)中鋼絲繩索具失效往往發(fā)生在鋼絲繩上，復(fù)合套遠(yuǎn)遠(yuǎn)在安全范圍內(nèi)，故主要分析鋼絲繩的內(nèi)部應(yīng)力分布情況。研究表明，鋼絲繩復(fù)合套索
具間隙為4mm和5mm時(shí)鋼絲繩的最大應(yīng)力值較大，2mm間隙時(shí)最大應(yīng)力值最小，故重點(diǎn)對(duì)比分析2mm、4mm、5mm間隙時(shí)的鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布情況。由于研究的鋼絲繩模型為空間折返
式，因而有鋼絲繩直線段（下段）和折返段（上段）兩部分，分別對(duì)以上3種間隙各取鋼絲繩截面徑向的5個(gè)特征點(diǎn)，分別為鋼絲繩
上段芯絲中心、鋼絲繩上下兩段壓制后結(jié)合部左右兩個(gè)鋼絲中
心、上下兩段壓制后結(jié)合部中間鋼絲中心、下段芯絲中心。為便于分析不同間隙鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布均勻性，對(duì)每種間隙的5個(gè)特征點(diǎn)按描述順序進(jìn)行1到5序號(hào)編號(hào)，如圖6-圖7所示。圖6中
不同間隙的5個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，其同一行左邊數(shù)字代表特征點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。右邊數(shù)字代表應(yīng)力值。（如第一個(gè)特征點(diǎn)序號(hào)1的
866.872.786.其866是該特征點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，872.786為其應(yīng)力值）。
8.WMie0.
|次一.9.）T18呢般批好
圖6鋼絲繩截面內(nèi)部分布云圖（2mm間隙）Fig.6 The Intermal Distribution Stress of the Wire Rope Section（2mm（Gap）
950900卷興0十
750126群房的早45圖7不同間隙的同一截面五個(gè)特征點(diǎn)處鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力值
Fig7The Intermal Stress Valhe of Wire Rope at Five Characteritic Points of the Same Section af Diferent Clearunce研究表明，鋼絲繩壓制完成后上段與下段鋼絲繩接觸處的
鋼絲應(yīng)力較大，且上段芯絲比下段芯絲應(yīng)力大。由圖7知，對(duì)比鋼
絲繩復(fù)合套間隙為2mm、4mm、5mm時(shí)鋼絲繩的應(yīng)力分布特性，
2mm間隙內(nèi)部各處應(yīng)力均最小，且應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為
8%。因此采用鋁套-鋼套復(fù)合方式，以鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻?yàn)樵瓌t，則應(yīng)選用2mm間隙配合進(jìn)行索具壓制成形，此時(shí)鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻，所以2mm間隙時(shí)鋁套-鋼套復(fù)合鋼絲繩
索具有著良好的力學(xué)綜合性能，能較好的滿足工作要求。
4.2鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制成形應(yīng)力分析
鋼套-鋁套（鋁套靠近環(huán)眼部位）復(fù)合套復(fù)合方式即將鋼絲
繩末端經(jīng)過彎制先穿入鋁套再穿入鋼套，后經(jīng)模具壓制，與繩體
固結(jié)在一起形成環(huán)眼的鋼套-鋁套復(fù)合鋼絲繩索具。采用與鋁
套一鋼套相同的研究方法即改變兩者之間的間隙配合，從0mm間隙依次增加1mm直到增加到5mm間隙，進(jìn)而分析研究此復(fù)合
方式下壓制成形后其鋼絲繩隨間隙的變化而產(chǎn)生的應(yīng)力場分布
情況。其應(yīng)力分布情況，如圖8-圖9所示。
5結(jié)論
5結(jié)論
（1）基于SolidWorks-ABAQUS平臺(tái)，建立1X7+HWS-24mm型單股折返式鋼絲繩模型，并將模型導(dǎo)入到ABAQUS中完成有限元模型的建立。
（2）采用鋁套一鋼套復(fù)合方式的鋼絲繩索具壓制成形后其應(yīng)力結(jié)果顯示，鋼絲繩最大應(yīng)力值隨間隙的增加呈“V“字型分布。在2mm間隙時(shí)其鋼絲繩最大應(yīng)力值最小為902.4MPa，且鋼絲繩應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為8%。
（3）采用鋼套一鋁套的復(fù)合方式在不同間隙配合下壓制成形后，其鋼絲繩應(yīng)力分布隨間隙的增加呈“鋸齒形”遞增，其配合間隙為0mm時(shí)，鋼絲繩的最大應(yīng)力值最小，為897.8MPa.且分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為64%。
（4）通過比較兩種復(fù)合方式的優(yōu)選方案，發(fā)現(xiàn)鋼套一鋁套復(fù)合“零間隙“配合索具壓制成形后的鋼絲繩最大應(yīng)力值（897.8MPa）比鋁套-鋼套復(fù)合2mm間隙配合的鋼絲繩最大應(yīng)力值（902.4MPa）小4.6MPa，且應(yīng)力波動(dòng)減少1.6%。因此，采用鋼套-
鋁套復(fù)合“零間隙”鋼絲繩索具進(jìn)行壓制成型后其力學(xué)性能最佳，鋼絲繩索具在服役過程中滿足工作要求的同時(shí)將會(huì)有更長的使用壽命。
上一篇：鋼絲繩的選購與使用 下一篇：鋼絲繩索具用閉式索節(jié)斷裂失效分析
相關(guān)資訊
- 111
- 30W噸船用克令吊鋼絲繩準(zhǔn)時(shí)威海交付印度船東（
- 振華重工“大力士”托起415噸大件！營口港創(chuàng)大
- 熱烈歡迎中海油田服務(wù)股份有限公司領(lǐng)導(dǎo)來我司
.png "打樁機(jī)用鋼絲繩")
