7×7交互捻鋼絲繩拉伸特性的研究

姚利麗，周 潔，曹文濤

（1.江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬?gòu)?fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州 225721）

鋼絲繩因具有較好的拉伸性能和較高的抗沖擊韌性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程制造和生產(chǎn)實(shí)踐中[1-3]。鋼絲繩的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其理論計(jì)算十分麻煩，且計(jì)算模型不能精確反映實(shí)際情況，而僅僅通過試驗(yàn)來測(cè)試鋼絲繩力學(xué)性能又不能高效地為鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。有限元技術(shù)的發(fā)展極大地提高了生產(chǎn)實(shí)踐的效率和質(zhì)量。對(duì)鋼絲繩進(jìn)行有限元模擬分析，可以清晰、直觀地看到鋼絲繩的受力特點(diǎn)，從而分析鋼絲繩在設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)注意的因素。鋼絲繩的強(qiáng)度和壽命主要取決于制繩鋼絲的材料性能及其受力分布。要提高鋼絲繩的性能，除了改善制繩鋼絲的力學(xué)性能外，還必須了解其受力特性[4]。因此，研究鋼絲繩的受力特性具有非常重要的意義。

為研究不同捻距對(duì)7×7Φ3.0 mm交互捻鋼絲繩拉伸特性的影響，本研究設(shè)計(jì)了4種不同規(guī)格的鋼絲繩模型，進(jìn)行拉伸有限元模擬。通過分析鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，探討拉伸性能好的鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為鋼絲繩設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 有限元模型

7×7Φ3.0 mm交互捻鋼絲繩的幾何模型如圖1所示，4種規(guī)格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）鋼絲繩的具體參數(shù)如表1所示。

表1 4種規(guī)格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）鋼絲繩的參數(shù)

將建立好的三維幾何模型導(dǎo)入Workbench軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析，鋼絲的彈性模量設(shè)為200 GPa，泊松比設(shè)為0.3，鋼絲之間摩擦因數(shù)設(shè)為0.17，鋼絲繩一端受固定約束，另一端受軸向拉伸載荷，模擬分析載荷在0～10 kN時(shí)的鋼絲繩受力情況。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 鋼絲繩應(yīng)力分布云圖

因鋼絲繩拉伸端面受到較大的載荷，應(yīng)力集中比較明顯，故取鋼絲繩長(zhǎng)度方向的中間截面（以下簡(jiǎn)稱鋼絲繩中間截面）為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。鋼絲繩中間截面在拉伸載荷為10 kN時(shí)的應(yīng)力云圖如圖2所示。

從圖2可以看出，4種規(guī)格鋼絲繩的應(yīng)力分布為芯部最大、邊部最小，鋼絲之間的接觸點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。鋼絲繩受到拉伸載荷時(shí)，不同位置的鋼絲應(yīng)變程度不同，接觸應(yīng)力也不同，導(dǎo)致鋼絲繩應(yīng)力分布不均勻。鋼絲繩應(yīng)力最大的地方在芯股芯絲與芯股面絲的接觸點(diǎn)處[4]。由于繩的捻距較小，規(guī)格A的應(yīng)力明顯大于其他3種規(guī)格；與規(guī)格B相比，規(guī)格D增大了股的捻距，使得面股應(yīng)力相對(duì)較小；與規(guī)格C相比，規(guī)格D增大了繩的捻距，使得鋼絲繩整體應(yīng)力相對(duì)較小。應(yīng)力云圖證明了捻距對(duì)鋼絲繩的應(yīng)力分布有很大影響，而應(yīng)力分布會(huì)影響鋼絲繩的強(qiáng)度及壽命[5-7]，因此合理設(shè)計(jì)捻距對(duì)提高鋼絲繩的性能和壽命很重要。

2.2 鋼絲繩應(yīng)力與拉伸載荷的關(guān)系

4種規(guī)格鋼絲繩Misses應(yīng)力與拉伸載荷的關(guān)系曲線如圖3所示，圖中Mises應(yīng)力取截面中同一類型單元的平均值。

從圖3可以看出，各規(guī)格鋼絲繩的Mises應(yīng)力隨著拉伸載荷的增大近似呈線性增大。4種規(guī)格鋼絲繩的芯絲所受的應(yīng)力普遍較大，尤其是芯股芯絲，這是因?yàn)楫?dāng)拉伸載荷較小時(shí)，芯絲的實(shí)際拉伸應(yīng)變與繩相同，變形程度越大，所受的應(yīng)力越大；而面絲的拉伸應(yīng)變受捻距的影響較大，先發(fā)生結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)，變形程度較小，所受的應(yīng)力也較小。當(dāng)拉伸載荷增大到一定程度，鋼絲繩股線、芯線位置發(fā)生微小錯(cuò)動(dòng)，股線與芯線之間的接觸面積增大，應(yīng)力值趨于一致，直至發(fā)生斷裂。

3 鋼絲繩拉伸試驗(yàn)

選取4種規(guī)格的鋼絲繩各5根，根據(jù)GB/T 8358—2014《鋼絲繩 實(shí)際破斷力測(cè)定方法》進(jìn)行拉伸測(cè)試，研究捻距對(duì)鋼絲繩破斷力的影響，破斷力取平均值，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，規(guī)格A的破斷力最小，規(guī)格D的破斷力最大，說明鋼絲繩整體應(yīng)力越小，所能承受的破斷力越大。再次證明了捻距會(huì)影響鋼絲繩的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響鋼絲繩的力學(xué)性能。

對(duì)比規(guī)格B與規(guī)格D可以看出，增大股的捻距可增大鋼絲繩破斷力；再對(duì)比規(guī)格C與規(guī)格D，增大繩的捻距也可以增大鋼絲繩破斷力，且相對(duì)于增大股的捻距，其對(duì)鋼絲繩破斷力的提升更為有效。

4 結(jié)論

（1）在軸向拉伸載荷下，交互捻鋼絲繩的應(yīng)力分布與捻距有很大的關(guān)系，捻距越小，應(yīng)力越大，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在鋼絲之間的接觸點(diǎn)處。

（2）在軸向拉伸載荷下，鋼絲繩中芯絲所受的應(yīng)力較大，尤其是芯股芯絲所受的應(yīng)力最大。

（3）在合理范圍內(nèi)，增大股和繩的捻距可明顯增大鋼絲繩的破斷力。

通過有限元模擬分析方法可以直觀地獲取鋼絲繩的應(yīng)力分布狀態(tài)，為進(jìn)一步鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供了方向，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性也為下一步進(jìn)行鋼絲繩拉伸斷裂分析提供參考，為預(yù)測(cè)鋼絲繩的破斷力奠定基礎(chǔ)。