钢丝绳弹塑性损伤本构模型研究.pdf

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1、第53卷第1期20l7年1月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGv01．53No．1Jan．20l7DoI：10．3901／JME．2017．01．121钢丝绳弹塑性损伤本构模型研究水任志乾于宗乐陈循(国防科技大学装备综合保障技术重点实验室长沙410073)摘要：通过分析钢丝绳的结构与材料特点以及主要失效形式，将材料损伤力学理论引入到钢丝绳失效模型，结合材料损伤理论，建立了含损伤的钢丝绳弹塑性损伤本构模型，推导了钢丝绳受到拉伸载荷作用时的损伤变量演化方程，编写了含损伤与不含损伤的钢丝绳弹塑性损伤有限元仿真分析程序，计算得到了钢丝绳在受到拉应力作用下的

2、损伤演化历史，对比计算了不含损伤与含有损伤的两种本构模型的仿真计算结果，为进一步开展基于损伤力学的钢丝绳寿命与可靠性研究提供了基础。关键词：单股钢丝绳；冲击载荷；弹塑性分析中图分类号：THl23StudyonWireRopeElastic—plasticDamageConstitutiveModelRENZhiqianYUZongyueCHENXun(ScienceandTechnologyonIntegratedLogisticsSupportLaboratory,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073)Abstrac

3、t：Basedontheanal37sisofwireropernaterialandstructure．damagemechanicsisintroducedinthefailuremodelandanelasticplasticdamageconstitutivemodelofwireropeisestablished．Thetheoreticalequationfortheevolutionofdamagevariablesundertensileloadingisderived．、Ⅳireropeelasticplasticdamagefiniteelementsimulati

4、onanalysisprogramswithdamageandwithoutdamagearewritten．Damageevolutionhistoryofthesteelwireropeunderthetensilestressiscalculated．Twoconstitutivemodelsimulationresultswithdamageandwithoutdamagearecontrasted．ThisprovidesabasisforflLrtherdevelopmentoftheresearchonthelifeandreliabilityofwireropebase

5、dondamagemechanics．Keywords：wireropewithsinglestrand；impactload；elastic-plasticanalysis0前言钢丝绳是一种用于承受拉伸载荷的常见的功能结构单元，由于其具有柔性空间螺旋结构特点，在工程中发挥着重要的作用，被广泛地应用于矿山、桥梁、船舶、航空、航天等领域。由于其重要性，钢丝绳的结构安全性和可靠性一直是工程人员关注的热点问题。钢丝绳的结构复杂，而且钢丝绳在实际工作中受到拉伸、挤压、摩擦等多种应力作用，导致钢丝绳的失效模式多样，失效机理复杂，使得钢丝绳失效分析、寿命预测和可靠性评估等方面的研究面临巨大的挑战。

6、国内外的学者在这些方面开展了大量的研究工作，COSTELLO等【lJ对钢丝绳的结构、整·可靠性与环境工程技术国防科技重点实验室2014年开放基金资助项目(KHZS20143011)。20160128收到初稿，20160906收到修改稿绳的受力分析和钢丝绳的摩擦特性进行了分析。VELINSK等【2J提出了利用非线性理论解决复杂钢丝绳模型的方法，并用不同绳芯的钢丝绳进行了验证。GHOREI等【jJ基于经典Kirchhoff曲杆弹性理论推导了钢丝绳平衡方程，得到了外部载荷与钢丝绳变形间的关系。沈燕等H利用试验的方法研究了不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为对钢丝绳的影响。BERETTA等p1研究

7、了钢丝表面质量对其疲劳强度的影响。随着计算技术的发展，采用数值方法对钢丝绳分析成为重要的研究手段，尤其是有限元法以及CAD和CAE软件的发展，使得模拟钢丝绳这类复杂结构的力学响应变得十分方便。NAWROCKI等【61建立了单股钢丝绳的有限元模型。马军等u1针对6x7IWS钢丝绳的构型及受载特点，应用微分几何理论建立了三维几何模型，并基于ANSYS软件采用弹性本构模型对其进行了应力应变分析。张德坤等蝉J以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象，通机