钢丝绳在拉伸载荷作用下的有限元建模与力学分析开题报告

1. 研究目的与意义

（1）背景与意义：钢丝绳在不同的工作环境下，其承受载荷情况也会有不同，通常可以分为动载和静载两种工况。大多数情况下，绳内钢丝主要是受到拉伸载荷；当钢丝绳与滑轮、卷筒联合使用时，还会受到弯曲载荷；若是工作环境恶劣则还会有冲击、挤压等载荷。由于钢丝绳结构复杂性和多样性原因，导致绳内钢丝受力状态十分复杂；即使在只受到拉伸载荷的情况下，绳内钢丝也会产生拉应力、弯曲应力和扭转应力，考虑钢丝与钢丝之间接触以及钢丝与滑轮接触还会产生接触应力，且钢丝不同部位产生的应力大小不同呈分布不均匀状态，应力集中较为明显，这也使得对钢丝绳较为精确的力学分析十分困难。因此，开展钢丝绳力学模型研究具有重要的理论与应用意义。

钢丝绳因其承载能力高，柔软性好，自重轻，阻尼吸收等优良力学特性而广泛地用于机械，航空航天，煤炭，矿山，建筑，运输和海洋工程等领域。随着现代工业生产规模的不断扩大以及效率的日益提高，各领域对钢丝绳的质量性能提出了更苛刻的要求，如深部钻探等。因此，深入了解不同结构钢丝绳的力学特性、损伤失效机理，进而提出优化策略以提升其力学性能，增加安全系数，延长使用寿命等具有重要的工程意义。特别是异型股钢丝绳因其与绳轮接触面积大、股与股间接触点多、结构密度大等结构特征而具有各股钢丝受力均匀、运行平稳、磨损量少、抗压性好、强度高、寿命长等优良力学性质，这使得异型股钢丝绳在满足现代工业对钢丝绳不断提出的更高的力学性能要求方面具有很大优势。然而，由于其结构的复杂性，国内外钢丝绳的理论研究大多集中于圆股钢丝绳，对于异型股钢丝绳的研究甚少。钢丝绳的力学问题属于大变形小应变几何非线性问题及由其复杂的几何结构而造成的材料非线性与状态非线性等多重复杂的非线性问题，如弯扭耦合、不均匀弯曲、局部应力集中、接触塑性变形、摩擦、磨损、断裂、蠕变、大变形等。钢丝绳优良力学特性及其力学问题的复杂性皆源于钢丝绳的特殊的空间螺旋分层结构，因此，对于钢丝绳几何结构的快速精确参数建模是其力学性能分析与优化设计的前提。

（2）目的：通过计算机仿真有助于对钢丝绳的受力情况进行定量分析，钢丝绳的力学问题属于大变形小应变几何非线性问题及由其复杂的几何结构而造成的材料非线性与状态非线性等多重复杂的非线性问题，如弯扭耦合、不均匀弯曲、局部应力集中、接触塑性变形、摩擦、磨损、断裂、蠕变、大变形等。因此，准确的力学模型以及参数化建模仿真有助于加深对钢丝绳的力学特性与损伤失效机理的认识，从而为钢丝绳产品的优化设计提供指导。

2. 研究内容和预期目标

（1）主要内容：本课题主要研究内容包括

①确定钢丝绳的材料力学性能参数；

②基于钢丝绳网格模型，建立其在拉伸载荷下的有限元模型；

3. 研究的方法与步骤

（1）研究方法：

①使用公式计算的方法，分析钢丝绳在拉伸载荷下的力学性能参数②通过建立有限元模型，进行力学模拟分析

（2）步骤：

4. 参考文献

[1]. erdnmez, c. and c.e. imrak, modeling and numerical analysis of the wire strand. journal of naval sciences and engineering, 2009. 5(1): p. 30-38.

[2]. erdonmez, c. and c.e. imrak, a finite element model for independent wire rope core with double helical geometry subjected to axial loads. sadhana, 2011. 36(6): p. 995-1008.

[3]. fontanari, v., et al. structural behaviour of steel ropes subjected to heavy thermal transients simulating fire scenarios. in proceedings of the organizzazione internazionale trasporti a fune (oitaf) congress, rio de janeiro, brazil. 2011.

5. 计划与进度安排

1. 2022.2.24-2022.3.15收集资料，并完成英文文献翻译

2. 2022.3.16-2022.3.25撰写开题报告，完成开题工作

3. 2022.3.26-2022.4.10搜集确定钢丝绳的基本力学性能参数