单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能研究

针对单股钢丝绳在服役过程中因丝间接触引起的失效问题,基于弹性接触理论和曲杆理论,研究轴向扭转载荷作用下单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能。首先,综合考虑泊松比效应和接触变形等因素,建立具有多层结构的单股钢丝绳轴向力学性能与丝间接触性能的数学模型。其次,采用基于半解析法(SAM)的数值方案进行耦合求解。半解析法求解过程中,采用共轭梯度法(CGM)和快速傅里叶变换(FFT)求解多层结构单股钢丝绳丝间接触压力、接触变形及钢丝内部应力,揭示单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的接触性能参数随扭转载荷变化的演变规律,以及钢丝绳结构参数对单股钢丝绳丝间接触行为的影响机制。最后,通过与COSTELLO理论计算结果对比,验证单股钢丝绳多层接触耦合模型的有效性。研究结果表明:轴向扭转载荷作用下,单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的最大接触压力和变形均位于接触中心,且随扭转加载进程而呈非线性变化;在大扭转载荷下,内层螺旋钢丝与外层螺旋钢丝间的接触区易先发生应力屈服;相比于内层螺旋钢丝捻角,外层螺旋钢丝捻角对单股钢丝绳内部各层丝间的接触作用影响更加显著;扭转载荷引起的最大钢丝应力位于接触界面下,该应力区的应力及深度随螺旋钢丝捻角增大而增大。     

椭圆股和三角股钢丝绳扭转及弯曲性能研究

对椭圆股和三角股钢丝绳的扭转和弯曲性能进行了有限元分析.在考虑两类钢丝绳股空间结构的相似性及钢丝间的摩擦接触等情况下,对捻向为右捻的椭圆股和三角股钢丝绳进行参数化建模和性能求解.仿真结果表明:两类钢丝绳股的扭转刚度均随捻角和侧丝直径的增大而增大,椭圆股钢丝绳的扭转刚度和弯曲刚度低于三角股钢丝绳;相对三角股芯丝,椭圆股的芯丝应力集中现象更加明显;在相同的扭转载荷作用下,椭圆股钢丝绳比三角股钢丝绳更易达到应力屈服,这与弯曲载荷作用下的现象相反.     

钢丝绳直线段有限元建模与分析

利用Patran软件设计了1×6钢丝绳直线段股和独立绳芯钢丝绳的有限元模型,利用Nastran进行了有限元分析,计算中考虑了一端固定、一端轴向旋转情况下钢丝绳的载荷与应变的关系和股内各钢丝分载荷情况.对比有限元分析结果、理论计算结果和实验结果发现,三者间误差均在容许范围内,验证了本文有限元模型的有效性.     

捻制方式对钢丝绳绳丝力学性能影响研究

对6×19S+FC右同向捻及右交互捻钢丝绳绳丝分别进行了静态实验,得到它们的拉伸、弯折及扭转实验数据;对这些数据进行统计分析,分别得到它们的均值与方差,从实验层面探讨捻制方式对钢丝绳绳丝力学性能的影响。另外利用Solidworks软件建立了绳丝计算模型,利用ANSYS软件分析了钢丝绳中绳丝的受力和变形情况,从数值模拟层面探讨钢丝绳捻制方式对绳丝力学性能的影响。研究表明,对于钢丝绳绳丝力学性能而言,右交互捻优于右同向捻。     

计入粗糙度的深沟球轴承弹塑性接触性能分析

为揭示表面粗糙度对深沟球轴承弹塑性接触性能的影响,根据该轴承的载荷分布,把滚动体与内滚道接触转变为二次型函数极值问题,并建立考虑表面粗糙度的该轴承弹塑性接触模型,运用半解析法对该模型进行求解,获得了计入表面粗糙度影响的深沟球轴承弹塑性接触性能。数值结果表明:表面粗糙度会使内滚道宽度方向两端处的局部压力减小,同时使内滚道接触压力、von Mises应力、残余应力和残余变形的幅值较光滑情况时增大;同时表面粗糙度导致深沟球轴承中内滚道接触压力和残余变形分布发生波动,易使内滚道次表面产生应力集中,进而影响轴承整体使用寿命。     

纤维绳芯钢丝绳断丝有效长度

本文首先分析了两层检制铜芯直股在静载荷下应变与轴向力的关系．在此基础上导出了纤维绳芯钢丝绳断丝有效长度的估计公式。     

钢丝绳数学模型及有限元分析

用UG中的规律曲线建立6×19西鲁钢丝绳、1×6单股钢丝绳三维模型,针对西鲁股第2层和第3层钢丝位置关系进行三次多项式曲线拟合,建立了二者捻角变化的三次曲线关系,保证钢丝绳捻制后同一个旋转周期螺旋捻距的大小相同;同时建立了第3层钢丝螺旋半径与第2层钢丝螺旋半径之比随第2层钢丝捻角变化的三次拟合关系,确保钢丝捻制后两层丝刚好能接触.利用Workbench对1×6单股钢丝绳进行有限元分析,钢丝绳一段固定,对另一端每根丝加载荷.对比了中心丝与侧丝接触应力,理论计算与有限元分析结果误差在3%,验证了模型和网格的有效性.单股有限元最大应力出现在侧丝与侧丝加载变型后相接触点.     

不同编制型式钢制系缆的动力响应

针对国内研究易忽视的钢缆扭转特性,建立了不同编制型式钢缆的拉伸-扭转模型.首先,分析钢缆结构特性、钢丝材料性质等基本特征,明确其在海洋工程中的受力状态,并基于合理假设,将钢缆应力分布问题简化为几何问题,确定拉伸-扭转共同作用下的钢缆本构关系.在此基础上,针对钢丝之间的不同接触特点,将赫兹接触理论推广到钢缆的数值模拟中,建立点接触和线接触的接触应力求解方法.其次,基于非线性动力学理论,考虑外载荷作用,并在钢缆刚度中引入拉伸-弯曲-扭转耦合项,推导钢缆动力学平衡方程组.在此基础上,建立了系泊系统计算模型,得出外载荷作用下的钢缆动力响应,并分析了在轴向载荷作用下,钢缆的扭转特性对张力的影响.此外,还研究了不同编制型式钢缆的扭转作用对缆绳动内力的影响,得出张力变化规律.结果表明:在相同轴向载荷下,不同编制型式钢缆的动力响应不同;不同的编制型式会影响张力数值,与忽略扭转特性时得出的张力相比,考虑钢缆结构扭转特性时计算出的张力增大,并且增大的数值受编制型式影响;不同编制型式会导致截面应力分布不均匀,钢缆内部应力分布与其编制型式密切相关,因此,在对钢缆进行应力计算,特别是接触应力分析时,考虑其具体编制型式极为必要,6×19型钢缆由于自身钢丝左捻右捻的交互排列型式,受到外载荷时的响应较低.     

大直径系泊钢缆轴向强度缩减值评估

针对六股钢缆和螺旋式钢缆提出海洋工程系泊钢缆轴向破断载荷计算的新方法.以钢缆结构为基础建立钢缆轴向强度计算的力学模型并进行简化处理.因钢缆断丝引起强度缩减且无法确定其断点的准确位置,为此考虑内部钢丝摩擦力并通过对钢缆的断丝分布进行概率计算及给出钢丝分布概率模型,提供钢缆轴向破断载荷缩减的计算及分析过程.突破了规范法计算轴向强度缩减时对钢缆类型的限制.通过大量计算各种钢丝绳破断载荷,将统计结果同API规范强度公式计算结果及设计值进行对比,结果显示该算法精度及稳定性较好.     

用光弹性法研究弹性体平面多点接触问题

应用光弹性法研究了类似特殊螺纹连接的弹性体平面多点接触问题,探索了平面多点接触问题的光弹性模型的制作技术和试验方法,并研究了在轴向拉伸载荷作用下齿的接触压力和模型内部的应力分布规律.结果表明,在轴向拉伸载荷作用下,齿的接触压力沿轴向呈对称分布,内部应力主要是由弯曲引起的轴向拉应力.     

含半月板的活体股胫关节接触特性有限元分析

股胫关节接触生物力学研究是人们保护关节减少伤害,理解关节软骨退化造成骨关节病力学成因的关键.该文利用一系列活体膝关节磁共振断层扫描图像(MRI), 构建了含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型.探讨了用有限元显式非线性动力学方法求解关节间存在相对滑动和摩擦时股胫关节接触特性,并模拟分析了在步行过程中外载荷变化时股胫关节的接触力学特性.仿真分析表明: 在载荷增加时,股胫关节接触面积增加,而股胫关节内外侧接触面积之比几乎不变,内外侧平均接触应力基本相等.     

受非对称载荷的轴对称体的弹性接触问题的解法

本文提出的求解受非对称载荷的轴对称体的弹性接触问题的有限元半分析法,是将位移和载荷(包括接触压力)在θ方向用傅氏级数展开,建立接触面之间的相对间距振幅方程。根据连续条件,采用增量法逐次迭代直至稳定状态,解出接触压力振幅。用有限元法解出最终结点位移和应力。求解接触压力的迭代过程均凝缩在接触界面上进行,避免在整体方程组中多次修改和重复计算。     

井控半封闸板体失效机理与密封性能研究

为了提高井控半封闸板防喷器(blowout preventer, BOP)安全性能,对现役的半封闸板防喷器进行了失效分析及密封性能评价,完成了闸板体的表征测试以及材料拉伸和冲击试验,通过溢流关井时半封闸板受力分析,基于闸板体材料应力应变测试数据,建立了全尺寸半封闸板防喷器模型,在井下高压流体和油缸压力复合载荷下对闸板体和密封胶芯的力学性能进行了仿真研究。结果表明：当油缸压力超过9.4 MPa,闸板本体的凹槽根部刚好进入屈服变形,最大等效应力发生在闸板本体的凹槽根部,导致闸板体过早断裂失效。胶芯与闸板上端接触区域的应力集中最为明显,可见由于复合载荷的作用,胶芯上部受到挤压作用,产生严重变形,进而失去密封能力。最后提出了减小闸板应力集中的措施。研究成果为溢流情况下半封闸板防喷器的安全操作提供指导依据。     

桥梁半平行钢丝索对称断丝的力学特性分析

桥梁用半平行钢丝索由于外层钢丝的螺旋外形和本身构造的特殊性,不能直接应用基于平行钢丝假定的并联模型或钢绞线模型进行力学分析.基于Love曲杆理论,考虑泊松效应、钢丝间接触变形以及钢丝间的接触力和摩擦力的影响,对多层半平行钢丝索的对称断丝模型进行了修正,通过数值计算讨论了拉索截面钢丝拉力分布规律、钢丝拉力增长系数和拉索轴向刚度及其影响因素.计算表明,考虑接触变形后,截面内钢丝拉力分布不均匀,拉索轴向刚度较单根钢丝有较大幅度的下降.     

中空滚珠丝杆副轴向微变形研究

为了研究中空滚珠丝杆副负载下的变形,通过赫兹接触理论,建立了中空滚珠丝杆副接触变形和传动刚度的模型。研究得出:丝杆的轴向刚度与所承受载荷是一阶线性关系,在不影响冷却的前提下选用丝杆副通孔半径与丝杆半径比为1/3为最佳比例。丝杆轴向变形量与半径之间的关系模型可以为后续的中空滚珠丝杆设计提供理论依据。     

场桥用6×36SW-25.0mm钢丝绳断丝失效分析

场桥用6×36SW-25.0 mm钢丝绳工作900 h后,发现在钢丝绳外层股间接触处、外层股表面与滑轮接触的部位产生断丝。对钢丝绳受力情况及钢丝断口形貌进行了分析,结果表明,由于滑轮与钢丝的滑动摩擦、钢丝绳外层各股之间钢丝的互相滑动摩擦,钢丝绳承受频繁弯曲疲劳,是钢丝绳在工作时易于形成疲劳源而导致断裂的重要因素。     

轴压下非黏结柔性立管响应特性的数值计算方法

为避免传统数值方法对非黏结柔性立管骨架层和抗压铠装层简化导致其应力计算不准确的问题,给出了非黏结柔性立管响应特性的一种数值计算方法,计入骨架和抗压铠装层实际截面形状及层间相互作用,既能保持各层几何形状与真实形状高度一致,又具有高效、高精度的特点,能够有效模拟骨架和抗压铠装层受力、失效及层间接触.计算了8层非黏结柔性立管在轴向压缩载荷下的响应特性,结果表明:数值解与理论值吻合较好;承受压缩载荷的主要为拉伸铠装层;非黏结柔性立管抗压刚度远小于抗拉刚度;立管顶端边界条件对轴向压缩性能影响不大.     

钢丝绳网三维细观几何与参数化实体建模

为建立钢丝绳网的细观三维实体模型并实现模型的参数化.以钢丝绳网中的单根钢丝绳作为基本单元,采用坐标变换理论首先建立了包含钢丝绳芯丝和侧丝的三维几何参数模型;再根据各钢丝绳间的编织关系,建立了钢丝绳网的几何参数模型;最后,以所建立的几何参数模型为基础,采用Pro/E完成了钢丝绳网的三维造型设计.研究结果为可为钢丝绳网的力学特性分析及强度、结构参数优化的前期基础工作提供参考.     

不同轴向游隙下涡轮泵球轴承动态特性研究

针对不合理的轴向游隙会恶化轴承的工作环境、降低轴承寿命并影响到涡轮泵球轴承-转子系统的稳定运行的问题,根据轴向游隙与接触角间的数学关系,将轴向游隙引入轴承部件的几何分析中,并基于Hertz接触定理和各部件间的相互作用,建立了考虑轴向游隙的涡轮泵球轴承动态特性计算模型。依据部件间变形几何关系进行变量缩减,简化了解析形式刚度矩阵的建立流程,降低了迭代计算的复杂度。以涡轮泵某型号球轴承为例,对不同载荷工况下轴向游隙对接触载荷、刚度和旋滚比的影响进行计算分析。计算结果表明：当轴向游隙增大,滚球与内、外滚道间的接触载荷均会降低,轴向刚度增大,径向刚度减小,所有滚球旋滚比均会升高,各滚球旋滚比之间的差异也会增大;当轴承所受径向力较大或转速较高时,轴向游隙越大,轴承刚度和旋滚比随外载荷改变而变化的程度越明显。所建立的模型和动力学典型算例的计算结果偏差最大不超过2.02%,整体偏差较低,证明了所建立的模型在轴承动态参数计算上的有效性和稳定性,同时也表明了在数值求解及迭代矩阵建立上采取的简化措施是可行的。     

滚珠丝杠螺母副载荷分布的计算方法

依据滚珠丝杠螺母副工作过程的变形机制，提出了滚珠与滚道接触载荷仅引起滚道螺旋面整体轴向位置变化的假设，进而推导出滚珠与滚道接触点对应中心的轴向变化关系；依据赫兹接触理论和滚珠与滚道局部接触变形的几何关系，建立了滚珠与滚道接触力的数值计算模型.利用所提出的模型、有限元模型和现有文献模型对二维平面接触问题进行了计算，通过计算结果的对比验证了本文计算方法的准确性和适用性.以某滚珠丝杠螺母副为例，利用数值计算模型进行了计算，分析了滚珠与滚道之间的接触力和接触角随轴向载荷的变化规律.