钢丝绳有限元模型的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

钢丝绳是一种结构复杂的系统，内部采用了多根或多股的细钢丝，拧成挠性绳索，对比于其他绳索来说，钢丝绳强度高、韧性好、使用方便等，所以得以广泛应用于于矿产、机械、建筑、林业、桥梁等领域，所以其是否能承受一定载荷以及是否疲劳失效对设备的安全以及可靠工作至关重要，但钢丝绳内部结构是由钢丝先捻成股，再由股捻成绳，复杂结构导致受力情况也比较复杂，难以确定，所以需要先对钢丝绳建立三维模型，并用有限元方法对钢丝绳模型模拟多种载荷或变载荷来分析其所承受的弯矩、扭矩以及接触和摩擦应力等等，确定其结果以对钢丝绳进行疲劳失效分析，从而可将模型应用到实际工程当中。本次工作目的是采用Workbench进行三维建模并对钢丝绳有限元模型进行受力分析和失效研究。

目前国内外在研究钢丝绳领域已采用了有限元的方法，在钢丝绳建模方面，国内外学者建立了一些钢丝绳分析模型，并且建模方法也有多种，可采用Pro/E，UG，以及CAD-CAE的协同仿真平台Workbench等，而模型主要分为半连续模型和离散模型，另外也有完整的钢丝绳实体计算模型。大多数都是先考虑一种具体钢丝绳的结构，空间几何形状,然后借助一定软件和本身结构参数建立半参数化几何模型，再引入自扭转系数，或钢丝绳捻制成形的有限元计算边界条件建模，然后编制对应的有限元建模程序,生成可被ANSYS软件直接调用的数据文件，或者直接使用建模软件与ANSYS的接口将模型导入AnsysWorkbench软件中，再对模型加载进行应力分析。其中，具体的研究情况有，王桂兰等人分析了IWRC7×7的钢丝绳，分别为一次捻制和二次捻制时的加工应力应变变化的情况,并讨论了自扭转系数对加工应力应变的影响。而马军等人则建立了6×19IWS，右同向捻和右交互捻两种钢丝绳的几何模型，再对其进行适当的网格划分，就得出钢丝绳的有限元模型，进行受力分析后得到钢丝绳受拉伸载荷作用的情况下，绳股的侧丝和芯的等效应力,切应力，拉应力，以及强度，得出同样情况下交互捻钢丝绳的侧丝应力低于同向捻钢丝绳等结论，另外还建立了了6×7IWS的钢丝绳有限元分析模型，进行网格划分时再利用Preprocessor |Meshing命令，得到了钢丝绳的股内钢丝应力分布以及钢丝绳的内部变形分布与钢丝的捻向有很大相关的结论。

2. 研究的基本内容与方案

本次研究的基本内容是对于一种特定结构的钢丝绳，是基于CAD-CAE协同仿真平台 Workbench，获得钢丝绳的三维模型，再通过AnsysWorkbench分析软件，针对不同钢丝绳处于的环境对模型施加相应的约束或拉压力等，对钢丝绳进行不同条件下的应力弯矩扭矩分析，最后应用于工程实例进行疲劳失效分析，对比得出结论。目标是能得到钢丝绳有限元模型最后可以用于钢丝绳的实验研究和实际工程分析中。拟采用的技术方案和措施是先对所给定的钢丝绳的结构进行分析，提出建立钢丝绳几何模型的方案，设置绳丝钢丝直径，侧股钢丝直径以及摩擦系数等几何参数，利用Workbench导入建立几何模型，利用AnsysWorkbench内部自带的材料库，设置钢丝绳的材料，并且对其已经建好的三维模型进行网格划分，也可以利用Ansys的自动网格划分，对于滑轮上或者是矿井，港口不同环境使用的钢丝绳，受力形式均不同，分析受力形式，对钢丝绳施加拉力，压力，以及固定约束等，另外钢丝绳内部钢丝之间的摩擦力，以及不同的温度也会影响钢丝绳内部应力分布，根据力学计算，进行静应力分析，然后确定对钢丝绳的疲劳强度寿命，最后得到模型应用到工程实例以验证模型的准确性和可行性的结果。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，完成开题报告。

第4-5周：对钢丝绳的结构进行分析，提出建立钢丝绳几何模型的方案，并熟悉相关软件。

第6-8周：尝试建立几何模型，对各种钢丝绳几何建模方法进行分析比较。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘玉辉,寇子明,吴娟,吴国雄.单捻钢丝绳股内钢丝应力分布研究[j].矿山机械,2014,02:45-48.

[2]马军,葛世荣,张德坤.钢丝绳股内钢丝的载荷分布[j].机械工程学报,2009,04:259-264.

[3]马军,葛世荣,张德坤.钢丝绳股内钢丝应力—应变分布的计算模型及数值模拟[j].机械工程学报,2009,11:277-282.