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摘要：为提高钢丝绳的安全性，最大限度发挥材料性能，合理地设计和制造满足各种性能要求的钢丝绳产品，采用UG软件对1×7+IWS结构的圆股钢丝绳进行三维实体建模，然后通过UG与ANSYS的接口导入ANSYS中。采用面—面接触求解方法，对导入的钢丝绳实体进行有限元网格划分、建立接触对和施加约束并求解。研究了捻距S对服役中的钢丝绳应力应变的影响，得到相应的应力应变云图，为钢丝绳的设计和改进提供了理论依据。
关键词：钢丝绳；有限元分析；ANSYS；应力应变
中图分类号：TH123.4 文献标志码：A[WT]文章编号：1672-1098（2014）03-0083-04
钢丝绳是一种重要的空间螺旋结构制品，具有高强度、柔软性和稳定可靠的特点，因而被广泛用于建筑、矿井、交通、通讯和航空等领域[1]。由于钢丝绳本身结构的复杂性，在服役中绳股处于复杂的受力状态，不仅承受着连续拉力，而且承受着弯曲力、剪切力及摩擦力等。传统的受力分析方法无法对其进行准确的求解，诸多研究主要采用理论或实验及模拟方法来分析钢丝绳的力学行为。如Hall[2]曾假设绳股中每根钢丝只承受简单拉伸，并认为钢丝绳芯部的应力小于周围绳股的应力。Hruska[3]考虑了绳股及钢丝之间的摩擦力，并进一步研究导致钢丝中切向、径向和拉伸力的表达形式。Costello和Phillips[4-5]考虑了钢丝半径和螺旋角的变化及其作用于钢丝上的弯矩和扭矩，计算出在轴向力、弯曲、扭转和接触影响等作用下的应力。国内对钢丝绳的研究相对还不是很多。文献[6-7]都对钢丝绳中钢丝间微动磨损对其疲劳性能的影响进行了研究。华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室对钢丝绳捻制成形数值模拟与制品力学强度进行了分析[8]。但是关于捻距S对服役中钢丝绳的应力应变的数值分析还未见报道。在捻股或捻绳中，基本参数捻距S是影响钢丝绳寿命的主要因素之一。选择合理的捻距S有助于提高钢丝绳的安全性，最大限度发挥材料性能，合理地设计和制造满足各种性能要求的钢丝绳产品。
1几何结构及有限元模型
本文以同向捻制的1×7+IWS型钢丝绳为例，借助UG软件建立其半参数化几何模型，几何参数为：绳芯钢丝直径2.66 mm，侧股钢丝直径为2.34 mm，摩擦系数为0.1，捻距S变化值为42.3mm、47.3 mm、52.3 mm、57.3 mm、62.3 mm，股的旋向为右旋。将三维实体模型通过UG与ANSYS的接口导入ANSYS软件中。绳芯和绳股均使用三维8节点实体单元SOLID45，通过扫掠网格划分命令（SWEEP），对钢丝绳进行网格划分，其有限元网格模型如图1所示。整个模型共生成单元数为199 954，节点数为227 665。图11×7+IWS钢丝绳有限元网格模型
2材料性质与计算条件
采用JIS SWRS72A钢线，在常温下该钢丝的材料属性[9] 如表1所示。
3创建接触对
根据接触单元不得穿透目标面，但目标单元可以穿透接触面的原则[10]，在建立绳芯和绳股的接触时，绳芯为接触面，绳股为目标面；在建立外层相邻绳股的接触时，每根绳股既做接触面又做目标面。目标单元和接触单元分别设置为TARGEl70和CONTA174[11]。根据其结构特点，共建立12对接触对，其中两对接触对如图2所示。将其接触刚度因子FKN和拉格朗日算法允许的最大渗透值FTOLN均设置为0.1[12-13]。a. 股与芯的接触对 b. 股与股的接触对
4边界条件与加载方式
图3为同向捻制的1×7+IWS结构钢丝绳受载示意图。F和M分别为其所受的轴向力和轴向力矩。通过改变钢丝绳捻距S值进行有限元模拟，以得到捻距S变化时对服役中钢丝绳应力应变的影响规律。图3载荷示意图
5模拟结果分析
5.1Von-Mises等效应力
6结论
1） 利用UG软件建立1×7+IWS钢丝绳参数化设计模型，并将其导入ANSYS中生成有限元分析模型，对在捻距S不同的条件下的应力应变进行分析，该建模及分析方法适用于交互捻制或同向捻制类似结构的几何模型。
2） 证实了钢丝绳在实际的应用中，捻距S不能过大或过小，并且每种结构类型钢丝都有一个最佳捻距的生产要求。
参考文献：
[1]王桂兰， 孙建芳， 张海鸥. 钢丝绳捻制成形的空间几何模型与有限元分析[J]. 应用力学学报，2003， 20（3）： 82-86.
[2]HRUSKA F H. Calculations of stresses wire ropes[J]. Wire and Wire Produets， 1951， 8（26）：799-801.
[3]HALL H M. Stress in small wire ropes[M]. Wire and Wire Produets， 1951，8（26）：257-259.
[4]W K LEE. An insight into wire rope geometry[J]. International Journal of Solids and Structures， 1991，28（4）：471-490.
[5]A D Carlson and R G KASPER. A structural analysis of multi-conductor cable[J]. Applied Mechanics Reviews， 1997，50：1-14.
[6]J W PHILLIPS and G A COSTELLO. Contact stresses in twisted wire cables[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division， ASCE， 1994，100：1 096-1 099.
[7]张德坤. 提升钢丝绳的微动损伤实验研究[J]. 矿山机械， 1988：47-48.
[8]周仲荣. 微动磨损[M]. 北京： 科学出版社， 2002：12-15.
[9]束得林. 金属力学性能[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009：20-25.
[10]孙林松，王德信，谢能刚. 接触问题有限元分析方法综述[J]. 水利水电科技进展， 2001， 21（3）：18-20.
[11]杨金堂，孔建益，王朝辉，等. 基于伺服电机选择的受控机构动力分析[J]. 机械传动， 2004（3）：49-51.
[12]汪再如. 参数化直齿圆柱齿轮的弯曲与接触应力分析[J]. 铸造技术， 2008（3）：931-933.
[13]R A LECLAIR. Upper bound to mechanical power transmission losses in wire rope[J]. Journal Engineenng Meehanics， 1989，15（9）： 2 011-2 019.
（责任编辑：李丽 范君）
关键词：钢丝绳；有限元分析；ANSYS；应力应变
中图分类号：TH123.4 文献标志码：A[WT]文章编号：1672-1098（2014）03-0083-04
钢丝绳是一种重要的空间螺旋结构制品，具有高强度、柔软性和稳定可靠的特点，因而被广泛用于建筑、矿井、交通、通讯和航空等领域[1]。由于钢丝绳本身结构的复杂性，在服役中绳股处于复杂的受力状态，不仅承受着连续拉力，而且承受着弯曲力、剪切力及摩擦力等。传统的受力分析方法无法对其进行准确的求解，诸多研究主要采用理论或实验及模拟方法来分析钢丝绳的力学行为。如Hall[2]曾假设绳股中每根钢丝只承受简单拉伸，并认为钢丝绳芯部的应力小于周围绳股的应力。Hruska[3]考虑了绳股及钢丝之间的摩擦力，并进一步研究导致钢丝中切向、径向和拉伸力的表达形式。Costello和Phillips[4-5]考虑了钢丝半径和螺旋角的变化及其作用于钢丝上的弯矩和扭矩，计算出在轴向力、弯曲、扭转和接触影响等作用下的应力。国内对钢丝绳的研究相对还不是很多。文献[6-7]都对钢丝绳中钢丝间微动磨损对其疲劳性能的影响进行了研究。华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室对钢丝绳捻制成形数值模拟与制品力学强度进行了分析[8]。但是关于捻距S对服役中钢丝绳的应力应变的数值分析还未见报道。在捻股或捻绳中，基本参数捻距S是影响钢丝绳寿命的主要因素之一。选择合理的捻距S有助于提高钢丝绳的安全性，最大限度发挥材料性能，合理地设计和制造满足各种性能要求的钢丝绳产品。
1几何结构及有限元模型
本文以同向捻制的1×7+IWS型钢丝绳为例，借助UG软件建立其半参数化几何模型，几何参数为：绳芯钢丝直径2.66 mm，侧股钢丝直径为2.34 mm，摩擦系数为0.1，捻距S变化值为42.3mm、47.3 mm、52.3 mm、57.3 mm、62.3 mm，股的旋向为右旋。将三维实体模型通过UG与ANSYS的接口导入ANSYS软件中。绳芯和绳股均使用三维8节点实体单元SOLID45，通过扫掠网格划分命令（SWEEP），对钢丝绳进行网格划分，其有限元网格模型如图1所示。整个模型共生成单元数为199 954，节点数为227 665。图11×7+IWS钢丝绳有限元网格模型
2材料性质与计算条件
采用JIS SWRS72A钢线，在常温下该钢丝的材料属性[9] 如表1所示。
3创建接触对
根据接触单元不得穿透目标面，但目标单元可以穿透接触面的原则[10]，在建立绳芯和绳股的接触时，绳芯为接触面，绳股为目标面；在建立外层相邻绳股的接触时，每根绳股既做接触面又做目标面。目标单元和接触单元分别设置为TARGEl70和CONTA174[11]。根据其结构特点，共建立12对接触对，其中两对接触对如图2所示。将其接触刚度因子FKN和拉格朗日算法允许的最大渗透值FTOLN均设置为0.1[12-13]。a. 股与芯的接触对 b. 股与股的接触对
4边界条件与加载方式
图3为同向捻制的1×7+IWS结构钢丝绳受载示意图。F和M分别为其所受的轴向力和轴向力矩。通过改变钢丝绳捻距S值进行有限元模拟，以得到捻距S变化时对服役中钢丝绳应力应变的影响规律。图3载荷示意图
5模拟结果分析
5.1Von-Mises等效应力
6结论
1） 利用UG软件建立1×7+IWS钢丝绳参数化设计模型，并将其导入ANSYS中生成有限元分析模型，对在捻距S不同的条件下的应力应变进行分析，该建模及分析方法适用于交互捻制或同向捻制类似结构的几何模型。
2） 证实了钢丝绳在实际的应用中，捻距S不能过大或过小，并且每种结构类型钢丝都有一个最佳捻距的生产要求。
参考文献：
[1]王桂兰， 孙建芳， 张海鸥. 钢丝绳捻制成形的空间几何模型与有限元分析[J]. 应用力学学报，2003， 20（3）： 82-86.
[2]HRUSKA F H. Calculations of stresses wire ropes[J]. Wire and Wire Produets， 1951， 8（26）：799-801.
[3]HALL H M. Stress in small wire ropes[M]. Wire and Wire Produets， 1951，8（26）：257-259.
[4]W K LEE. An insight into wire rope geometry[J]. International Journal of Solids and Structures， 1991，28（4）：471-490.
[5]A D Carlson and R G KASPER. A structural analysis of multi-conductor cable[J]. Applied Mechanics Reviews， 1997，50：1-14.
[6]J W PHILLIPS and G A COSTELLO. Contact stresses in twisted wire cables[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division， ASCE， 1994，100：1 096-1 099.
[7]张德坤. 提升钢丝绳的微动损伤实验研究[J]. 矿山机械， 1988：47-48.
[8]周仲荣. 微动磨损[M]. 北京： 科学出版社， 2002：12-15.
[9]束得林. 金属力学性能[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009：20-25.
[10]孙林松，王德信，谢能刚. 接触问题有限元分析方法综述[J]. 水利水电科技进展， 2001， 21（3）：18-20.
[11]杨金堂，孔建益，王朝辉，等. 基于伺服电机选择的受控机构动力分析[J]. 机械传动， 2004（3）：49-51.
[12]汪再如. 参数化直齿圆柱齿轮的弯曲与接触应力分析[J]. 铸造技术， 2008（3）：931-933.
[13]R A LECLAIR. Upper bound to mechanical power transmission losses in wire rope[J]. Journal Engineenng Meehanics， 1989，15（9）： 2 011-2 019.
（责任编辑：李丽 范君）