绳缆,作为最早使用的工具之一,在人类的发展和文明进程中起着至关重要的作用。绳缆发明以后的很长时间内,使用的原料均为天然纤维素纤维,特别是麻类。随着大工业时代的到来,钢丝绳在吊装和大功率牵伸上取代了麻绳。一直到最近几十年,特别是随着高性能纤维材料,如芳纶和高强高模聚乙烯(HMPE)等的出现,高聚物绳缆才进入工程和科研人员的视野。绳缆使用中必然发生两类受力作用,一是轴向承力,这是拖拽过程中的主要受力形式;一是弯曲中不对称受力,这是缠绕等过程的主要受力形式,是捻、压、弯、扭、摩擦的复合作用,最典型的是绳缆绕滑轮弯曲和绳受大曲率钩挂与自锁滑动。本课题针对绳缆编织结构计算机模拟和化纤编织绳缆绕过滑轮弯曲疲劳进行研究,采用SolidWorks?建模成型,系统探讨了影响弯曲疲劳性能的各种结构因素、实验因素和环境因素。基于实验研究给出绳缆结构的表征和绳缆绕滑轮弯曲疲劳的损伤机理,以此为提高绳缆弯曲疲劳性能提供可行的方法。(1)首先对编织结构进行解析和表征。通过对玫瑰线进行推广,得到了广义玫瑰线和修正玫瑰线,并用于对编织结构股线空间轨迹的表征。通过与实物对比,基于广义玫瑰线的编织结构模型可以较好的反映编织结构中股线之间的交织规律和外观特征。(2)通过对编织过程中股线运动进行分解和合成,抽象出了编织曲面和螺旋曲面,提出了基于曲面相交法的编织结构建模方法。基于该方法,本文系统给出了常规编织结构、三轴系编织结构、稀疏编织结构与紧密编织结构、多股并排编织结构以及非圆柱体编织结构等多种不同类型编织结构的结构模型和建模方法。(3)在编织结构模型的基础上,通过对SolidWorks?二次开发,建立了编织结构自动化建模系统。该系统通过直观的界面对结构参数,如直径、螺距、编织角、交织股线数、交织结构类型等直接进行设置以完成对编织结构的参数调整,并能求出轨迹长度等参数,实现了编织结构的快速建模和结构调整,提高了编织结构设计效率。(4)借助于微分几何学的相关理论,本课题给出了弯曲编织结构股线的空间方程,并以此为基础讨论了弯曲过程中股线之间的相对转动情况。基于编织结构模型和有限元的相关理论,课题分析了弯曲过程中编织股线中应力、应变的分布情况。弯曲过程中股线之间的相对运动和应力分布为疲劳分析提供了分析依据。相关计算和仿真表明,相邻股线之间的滑移量随着编织角的增大而减小;股线之间的滑移量与滑轮直径与股线直径的比值成线性关系,直径比越大,滑移量越大。(5)通过实验的方法,对化纤编织绳缆结构绕滑轮弯曲疲劳的因素从三个方面进行了详细的分析,包括结构参数、试验参数和环境因素等。(a)在绳缆结构方面:与编织绳缆相比,化纤捻绳结构疲劳寿命要比相同直径下的编织结构的寿命小30%左右;绳皮结构的存在增加了绳皮和绳芯之间的面摩擦,使绳芯的表面上纤维毛羽化严重。对于不同的编织方式,1:1编织结构因为在相同直径条件下存在较多的点摩擦,绳缆的磨损程度加重,而3:3编织结构则又存在较为严重的线摩擦,所以介于两者中间的2:2编织结构则是一个折中的方案。(b)在实验条件方面:滑轮的截面形态应该尽量与绳缆的结构形态相吻合,以保证在使用过程中绳缆内部股线之间发生最小的相对位移,在圆形槽、梯形槽和矩形槽三种滑轮中,圆形槽滑轮最适合化纤绳缆绕滑轮弯曲。直径比的大小表征了绳缆的弯曲程度。通过实验分析,在选用绳缆和滑轮时应该保证直径比不小于20。弯曲频率表征了弯曲发生的快慢程度,实验表明绳缆绕滑轮弯曲频率较高时,绳缆的寿命明显下降。当频率小于0.5hz后频率的影响趋于平缓。在实际使用中弯曲频率不宜大于0.5hz。(c)在实验环境方面:在高应力水平下,水分由于起润滑作用和热扩散作用,显著提升了弯曲疲劳次数。在低应力水平下,润滑剂的润滑作用可以显著减小摩擦导致的股线损伤,提升弯曲疲劳次数。(6)通过对实验现象观察和相关数据的检测,绳缆弯曲疲劳损伤的机理可以概括为摩擦损伤和热损伤两方面。摩擦损伤是绳缆绕滑轮弯曲疲劳失效的主要机制,其发生和演化过程包括纤维的拉伸和抽拔、纤维断裂、磨损区域的扩展以及绳缆的磨损断裂失效四个过程。根据编织结构中股线接触状态的不同,弯曲疲劳过程中的磨损可以分为为点摩擦、线摩擦和面摩擦三种形式。在一定张力的作用下,绳缆中股线以三种摩擦形式经历四个摩擦阶段,最终失效。绳缆绕滑轮弯曲疲劳失效的另一方面为热损伤,其表现为失效绳缆的纤维束之间存在较为明显的粘连现象。通过对弯曲过程中绳芯和绳皮结构温度的检测可以观察到,绳缆内部有明显的温度升高现象。弯曲疲劳过程中热的来源包括两个方面,一方面是股线之间因为摩擦作用而产生的热量。另一方面是由于纤维材料的粘弹特性,使每一次弯曲过程都会有一部分能量转换为纤维本身的内能使纤维温度升高。特别是弯曲频率较高、应力水平较大时,这部分热量使绳缆内部温度升高的趋势就更加的明显。基于对弯曲疲劳损伤机理的分析,本课题最后给出了提高绳缆弯曲疲劳性能的建议。以上工作的开展和实施对加深对编织绳缆结构的认识、提高编织结构建模速度和效率、深化绳缆绕滑轮弯曲过程中各因素对其弯曲寿命的影响和弯曲疲劳过程中机理的认识都有着重要的意义,同时该课题给出相关结论和理论对于研究和设计耐弯曲化纤绳缆具有较好的参考价值和指导意义。