一种异型股钢丝绳的建模和基于Adams与Abaqus联合仿真的载荷计算方法技术

本发明专利技术提供一种异型股钢丝绳的建模和基于Adams与Abaqus联合仿真的载荷计算方法，针对三角股钢丝绳提出了一种基于Adams动力学以及Abaqus有限元静力学联合仿真的受力分析方法。该方法主要包括三角股钢丝绳数学几何模型的推导和三维几何模型的建立、Adams的动力学仿真、钢丝实物拉伸试验、Abaqus的有限元前处理与静力学仿真以及基于Python软件的Abaqus前处理插件开发。本方法为异型股钢丝绳的建模和受载仿真分析提供了较为完善的流程规范和可信的方法参考，为深入探究钢丝绳的力学性能与损伤失效机理，优化钢丝绳的结构设计提供了计算方法。计算方法。计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种异型股钢丝绳的建模和基于Adams与Abaqus联合仿真的载荷计算方法


[0001]本专利技术属于钢丝绳的三维几何建模和钢丝绳的受载分析优化相关领域，涉及异型股钢丝绳的三维几何建模和其受载后的应力、应变分析。通过建立异型股钢丝绳的精确三维几何模型，并结合Adams和Abaqus联合仿真求解给定工况下钢索的受载的方法。

技术介绍

[0002]钢丝绳是一种重要的机械设备元件，其强度高，柔软性好，主要承受拉伸和交变载荷，具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度以及抗冲击韧性，且载荷传递距离长，在各行业中应用广泛。钢丝绳的特性主要取决于其特殊的空间螺旋分层结构。根据断面形状可将钢丝绳分为圆股和异型股，异型股又分为三角股、椭圆股和扇形股。其中三角股的金属有效截面面积大，在整绳直径相同、钢丝强度相同时，三角股整绳的破断拉力比圆股提高了约25％，因此其在矿山开采、起重机械等领域应用广泛。虽然钢丝绳具有抗拉强度高、抗疲劳性能好以及抗冲击韧性大等优点，然而钢丝绳在使用过程中常常伴随着较大的载荷波动，过大的载荷会使钢丝绳提前破坏或断裂，从而造成人员和财产损失。为了安全科学地使用钢丝绳，必须研究给定工况下钢丝绳的整绳受载和构成整绳的各钢丝受载情况。对钢丝绳的力学性能的研究可分为实物试验和仿真分析，实物试验成本高昂，而随着数值仿真技术的高速发展，其仿真精度和求解效率都有了巨大的提高，因此采用数值仿真的方法来研究异型股钢丝绳的受载情况。
[0003]由于钢丝绳结构的复杂性，国内外针对钢丝绳的仿真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。文献“王晓宇.钢丝绳参数化建模及力学特性分析[D].吉林大学,2017.”中提出了典型钢丝绳的通用参数化建模方法，并对钢丝绳的两类破坏失效形式进行了有限元分析。该文献重点描述了典型钢丝绳的参数化建模方法，但在受力分析时仅对钢丝绳施加了简单的轴向静载荷，无法反映钢丝绳的实际受力情况。文献“陈原培.钢丝绳股力学与摩擦磨损性能研究[D].重庆大学,2016.”以单股钢丝绳为对象，结合其受力情况分别研究了轴向载荷和弯曲载荷作用下的绳股性能。该文献对单股钢丝绳的力学性能进行了理论分析以及有限元分析，但仅针对圆股钢丝绳的单股模型，与实际应用中的钢丝绳模型相比过于简化。因此，针对异形股绳需要提出一种全面、完善的建模和仿真分析方法，以便求解给定工况下钢丝绳的受载情况，确保钢丝绳的使用安全、可靠、高效。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决当前异型股钢丝绳的三维几何精确建模难、受力分析流程不完善、有限元仿真时受载过于简化，与钢丝绳实际受力情况差异较大以及有限元前处理过程繁复等问题，提出了一种异型股钢丝绳的三维几何建模和基于Adams和Abaqus联合仿真的钢丝绳受力分析方法，本方法的实施流程如图1所示。本方法首先通过推导三角股钢丝绳内各钢丝的空间结构几何参数方程，建立了整绳的精确数学模型，并在此基础上结合
各钢丝的截面形状生成了整绳的三维几何模型；接着在动力学仿真软件Adams中创建了钢丝绳的动力学模型，通过动力学分析求解钢丝绳在实际工况下的受载情况。继而，为了获得准确的材料参数(如强度、弹性模量等)，补充了钢丝的实物拉伸试验。最后，将建立的钢丝绳三维几何模型导入Abaqus，将动力学仿真求得的钢丝绳整绳受力计算结果和拉伸试验获得的材料参数输入Abaqus，进行有限元仿真。由于钢丝绳的几何模型复杂，模型中存在大量曲面，前处理繁琐耗时。因此，针对异型股钢丝绳的前处理和受力分析基于Abaqus开发了求解软件，其可在输入简单的参数后一键完成钢丝绳的截面属性设置、网格划分、约束施加等操作，并以真实工况下动力学仿真计算结果作为输入，为钢丝绳施加载荷并求解分析。本方法为异型股钢丝绳的建模和受载仿真分析提供了较为完善的流程规范和可信的方法参考，为深入探究钢丝绳的力学性能与损伤失效机理，优化钢丝绳的结构设计提供了计算方法。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：
[0006]步骤1：求解三角股钢丝绳各钢丝空间螺旋结构的参数方程，建立整绳的三维几何模型；
[0007]步骤2：构成异型股钢丝绳的钢丝拉伸试验，以获得钢丝的强度、屈服极限、弹性模量参数；
[0008]步骤3：在Adams中进行钢丝绳动力学仿真计算；
[0009]步骤4：将Adams的计算结果导入Abaqus中进行有限元仿真计算，进行应力应变分析。
[0010]本专利技术还包括这样一些结构特征：
[0011]1.步骤1的具体实现方法是：
[0012]1.1.在钢丝绳捻制过程中，侧丝钢丝绕股轴线旋转一周所绕过的螺旋距离称为股的捻矩p，直绳状态下的钢丝绳长度为l
r
，侧股股芯的螺旋半径为r
r
，捻矩p和捻角β
r
之间有如下关系：
[0013]tanβ
r
＝p/(2πr
r
)
[0014]在捻制前后钢丝保持圆截面，侧股在绳中的螺旋半径为r
r
，芯股的半径为r
core
，侧股的钢丝半径为r
i
，其中i为侧股的钢丝层数；
[0015]1.2.将钢丝绳的任一侧股沿绳的轴线展开，再把侧股的侧丝绕股芯展开，芯股的长度、侧股股芯的展开长度、侧股侧丝的展开长度分别用l
r
、l
s
、l
wi
表示；θ
r
和θ
si
分别表示侧股股芯绕钢丝绳芯股捻过的角度和侧股侧丝绕股芯捻过的角度，β
r
、β
si
分别表示侧股股芯在绳中的捻角和侧股侧丝在股中的捻角；r
r
和r
si
表示侧股股芯和侧股侧丝的螺旋半径，各侧丝的螺旋半径r
si
可通过测量钢丝绳横截面得到，各侧丝的捻角β
si
通过下式求得：
[0016][0017]其中l
s0
为单个捻矩下侧股股芯的展开长度，由下式计算：
[0018][0019]将三角股钢丝绳单股钢丝展开后有如下几何关系：
[0020]l
r
＝r
r
θ
r
tanβ
r
，
[0021]l
s
＝r
si
θ
si
tanβ
si
，
[0022]侧股股芯绕钢丝绳芯股捻过的角度θ
r
和侧股侧丝绕股芯捻过的角度θ
si
有如下关系：
[0023][0024]1.3.建立全局坐标系O1‑
XYZ，将原点O1固定在绳芯上，Z轴方向为绳芯轴线方向，XY平面为钢丝绳截面，X轴指向股芯，Y轴方向按照右手定则确定；建立侧股股芯中心线上的相对坐标系——动态Frenet标架O2‑
nbt，其中O2为一次空间螺旋线上的任意点，t为螺旋线中心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异型股钢丝绳的建模和基于Adams与Abaqus联合仿真的载荷计算方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：求解三角股钢丝绳各钢丝空间螺旋结构的参数方程，建立整绳的三维几何模型；步骤2：构成异型股钢丝绳的钢丝拉伸试验，以获得钢丝的强度、屈服极限、弹性模量参数；步骤3：在Adams中进行钢丝绳动力学仿真计算；步骤4：将Adams的计算结果导入Abaqus中进行有限元仿真计算，进行应力应变分析。2.根据权利要求1所述的一种异型股钢丝绳的建模和基于Adams与Abaqus联合仿真的载荷计算方法，其特征在于，步骤1的具体实现方法是：1.1.在钢丝绳捻制过程中，侧丝钢丝绕股轴线旋转一周所绕过的螺旋距离称为股的捻矩p，直绳状态下的钢丝绳长度为l
r
，侧股股芯的螺旋半径为r
r
，捻矩p和捻角β
r
之间有如下关系：tanβ
r
＝p/(2πr
r
)在捻制前后钢丝保持圆截面，侧股在绳中的螺旋半径为r
r
，芯股的半径为r
core
，侧股的钢丝半径为r
i
，其中i为侧股的钢丝层数；1.2.将钢丝绳的任一侧股沿绳的轴线展开，再把侧股的侧丝绕股芯展开，芯股的长度、侧股股芯的展开长度、侧股侧丝的展开长度分别用l
r
、l
s
、l
wi
表示；θ
r
和θ
si
分别表示侧股股芯绕钢丝绳芯股捻过的角度和侧股侧丝绕股芯捻过的角度，β
r
、β
si
分别表示侧股股芯在绳中的捻角和侧股侧丝在股中的捻角；r
r
和r
si
表示侧股股芯和侧股侧丝的螺旋半径，各侧丝的螺旋半径r
si
可通过测量钢丝绳横截面得到，各侧丝的捻角β
si
通过下式求得：其中l
s0
为单个捻矩下侧股股芯的展开长度，由下式计算：将三角股钢丝绳单股钢丝展开后有如下几何关系：将三角股钢丝绳单股钢丝展开后有如下几何关系：侧股股芯绕钢丝绳芯股捻过的角度θ
r
和侧股侧丝绕股芯捻过的角度θ
si
有如下关系：1.3.建立全局坐标系O1‑
XYZ，将原点O1固定在绳芯上，Z轴方向为绳芯轴线方向，XY平面为钢丝绳截面，X轴指向股芯，Y轴方向按照右手定则确定；建立侧股股芯中心线上的相对坐标系——动态Frenet标架O2‑
nbt，其中O2为一次空间螺旋线上的任意点，t为螺旋线中心线上任意一点的单位切向量，n为单位主法向量，b为单位副法向量，若一次螺旋线上的某点A在全局坐标系中由向量R表示，二次空间螺旋线上的某点B在Frenet坐标系下用向量Q表示，
B点与全局坐标系原点O1连线构成的向量用P表示；得到二次空间螺旋线的矢量表达式P＝Q+R；当股芯钢丝经过一次捻制后，可得股芯钢丝在全局坐标系下的表达式。设侧股股芯钢丝的参数方程R为：分别求出R的一阶导和二阶导：分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖京波，闫轲，邓奇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：