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，進行插編、壓制等深加工，將鋼絲繩的優(yōu)越性能作進一步挖掘和發(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起柔性連接的關(guān)鍵部件，具有強度高、承載能力強、耐磨性好、撓性好等優(yōu)點，因此廣泛用于海洋工程、船舶運輸、礦山機械、航空航天等領(lǐng)域，對我國重工業(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，并進行了試驗驗證。文獻通過采用有限元法建立了1×7鋼絲繩計算模型，模擬仿真的捻制成形鋼絲殘余應(yīng)力與實驗結(jié)果吻合。文獻進行了鋼絲繩成形過程數(shù)值模擬和制品力學(xué)強度分析的研究工作，對簡單直股和獨立繩芯進行了應(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，不能抵抗索具高強度負載時的繩套固結(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，保證了索具高強度負載時抗剪力能力，但同時降低了索其抗承載能力。因此整合鋼套高的抗拉強度與鋁合金套高的抗剪強度，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)合顯示動力學(xué)方法對鋼
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
究對象，IWS代表獨立鋼芯結(jié)構(gòu)，其芯絲、側(cè)絲直徑均為8mm，鋼絲繩直徑為24mm，捻向為右同向捻；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
式或間隙的同時復(fù)合套的尺寸參數(shù)保持不變。
基于SolidWorks平臺，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)勢是只需對某些特定的尺寸參數(shù)進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，整個建模過程方便高效，且得到的模型精確度高。然后將整個復(fù)合套鋼絲繩索具各個部件分別進行獨立建模，最后對鋼絲繩、鋼套、鋁套和上下兩個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
運用ABAQUS軟件對復(fù)合套索具進行成形仿真分析研究，首先采用Remove Faces命令將模具實體模型轉(zhuǎn)化為模具剛體殼模型，將大量的減少網(wǎng)格數(shù)量和計算機內(nèi)存容量，以及提高計算
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，首先由鋼絲繩的點接觸類型，逐漸演變?yōu)榫€接觸，進而再轉(zhuǎn)化為
鋼絲繩之間的面接觸。而ABAQUS顯示動力學(xué)方法對處理接觸
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間域中以很小的時間增量步向前推出結(jié)果，而無需在每一個增量步求
解耦合的方程系統(tǒng)，或者生成總體剛度矩陣，對任意的拉格朗
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，容易實現(xiàn)從粗網(wǎng)格到細網(wǎng)格的過渡。由于鋼絲繩獨特的空間
螺旋特征，對鋼絲繩采用8節(jié)點六面體線性減縮積分（C3D8R）顯
示單元進行掃掠網(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)點六面體線性減縮積分（C3D8R）顯示單元進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；剛體模具采用4節(jié)點四面體線性單元（C3D4）進行自
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，需要對其應(yīng)力場分布進行分析研究，為了得到其應(yīng)力分布特性，對鋼絲繩索具進行FEA分析。首先定義鋼絲繩索具邊界條件：下模具進行全約束，即約束6個自由度，上模具采用
Displacement約束，對上模具施加向下的24mm的位移載荷。然后運用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算法計算。最后應(yīng)用Dynamic Explicit 求解器對復(fù)合套索具（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）進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，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)力最小且分布均勻為原則，同時也需綜合考慮復(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)合套遠遠在安全范圍內(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時鋼絲繩的最大應(yīng)力值較大，2mm間隙時最大應(yīng)力值最小，故重點對比分析2mm、4mm、5mm間隙時的鋼絲繩內(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，分別對以上3種間隙各取鋼絲繩截面徑向的5個特征點，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，對每種間隙的5個特征點按描述順序進行1到5序號編號，如圖6-圖7所示。圖6中
不同間隙的5個特征點的應(yīng)力值，其同一行左邊數(shù)字代表特征點的節(jié)點編號。右邊數(shù)字代表應(yīng)力值。（如第一個特征點序號1的
866.872.786.其866是該特征點的節(jié)點編號，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特征點處鋼絲繩內(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，對比鋼
絲繩復(fù)合套間隙為2mm、4mm、5mm時鋼絲繩的應(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)力最小且分布均勻為原則，則應(yīng)選用2mm間隙配合進行索具壓制成形，此時鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻，所以2mm間隙時鋁套-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，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，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)力波動減少1.6%。因此，采用鋼套-
鋁套復(fù)合“零間隙”鋼絲繩索具進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將會有更長的使用壽命。
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