牵引用编织钢丝绳拉-扭复合载荷下力学性能研究

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编织钢丝绳作为导线张力架设过程的重要工器具,其结构和性能决定了架线施工的安全可靠性。针对绿色环保电网建设对编织钢丝绳失效机理、寿命预测等的迫切需求,以导线张力架设工况为背景,借助理论分析、数值模拟及试验研究,开展了牵引用编织钢丝绳拉伸、扭转及拉-扭复合载荷作用下力学性能的研究,对改进该类钢丝绳结构、提高其服役寿命具有重要意义。论文以YS9-8×19编织钢丝绳为研究对象,分析其结构及编织工艺,深入探讨其成形过程,从其编织成形原理分析出绳股空间椭圆螺旋线假设成立的依据;探究钢丝绳整绳及绳股结构,获得了表征其结构的关键参数;基于反求工程、曲面相交及绳股单元的空间螺旋方程三种建模手段,开展了双椭圆螺旋对称编织钢丝绳几何模型构建研究,对比三种建模手段的效率及其模型精度,发现基于绳股单元的空间螺旋线方程的建模手段在编织钢丝绳几何模型的构建方面具有一定的优越性。从牵引卷筒、放线滑车的绳槽与钢丝绳接触偏角、接触状况等入手,深入探讨了编织钢丝绳外部扭转成因,并以卷筒绳槽上微段钢丝绳为研究对象,推导得出牵引过程产生的钢丝绳外部扭矩表达式;基于编织钢丝绳的几何模型,借鉴绳股展开线的几何参数关系及相关力学理论,开展了编织钢丝绳内部扭转成因研究,获得了钢丝绳内部扭矩表达式;在此基础上,提出用扭转刚度来表征编织钢丝绳抗扭特性,通过扭转试验获取了YS9-8×19编织钢丝绳顺、逆扭转刚度,结果表明,该钢丝绳相同扭转载荷下顺时针较逆时针具有更好的抗扭特性。考虑编织钢丝绳受载时的“大变形、非线性、多接触”特征,采用显式算法进行了YS9-8×19编织钢丝绳拉伸、扭转及拉-扭复合载荷下的数值模拟,获得了不同载荷作用下钢丝的应力、变形等分布规律。结果表明,随着拉伸载荷的增加编织钢丝绳沿绳长方向的绳股应力由均匀分布演化为局部应力集中,各绳股发生变形并逐渐向截面中心移动;扭转载荷下随着扭转方向与绳股捻向的异同,股内钢丝有旋松或紧的趋势,钢丝产生拉、压变形;拉-扭复合载荷下编织钢丝绳的受力相比独立受载的等效应力值更大,扭转载荷的存在会抵抗钢丝绳的轴向变形,扭转方向对钢丝绳的轴向变形影响较小,但会导致内部钢丝产生不同的受力形式,加速钢丝绳失效。借助万能试验机、扭转试验机及自主设计的扭转辅助装置,分别开展了编织钢丝绳拉伸、扭转及拉-扭复合载荷下的试验研究。结果表明,整绳数值模拟较解析法在求解编织钢丝绳受载变形方面具有一定的优势,精度更高;顺时针扭转载荷下钢丝绳所受扭矩略大于逆时针扭转载荷下钢丝绳所受扭矩;扭转载荷的存在会抵抗编织钢丝绳的轴向变形,降低其柔性,扭转角度越大影响越大,扭转还会改变钢丝绳的受力状态,因绳股及钢丝的受力不均会加速编织钢丝绳的失效。试验结果与数值模拟结果具有较好的一致性,验证了编织钢丝绳几何模型构建的合理性与数值模拟的有效性。
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