钢丝绳复合套索具压制成形仿真研究_钢丝绳【镀锌钢丝绳】打桩机

常见问题

钢丝绳复合套索具压制成形仿真研究

1引言

钢丝绳索具是以钢丝绳为主要原材料，进行插编、压制等深加工，将钢丝绳的优越性能作进一步挖掘和发挥。钢丝绳压制索具是指钢丝绳端部经过弯制形成一定尺寸的环套，端部穿入铝套或钢套经模具压制与绳体固结在一起形成环眼的索具4。钢丝绳索具是工程吊装平台起柔性连接的关键部件，具有强度高、承载能力强、耐磨性好、挠性好等优点，因此广泛用于海洋工程、船舶运输、矿山机械、航空航天等领域，对我国重工业的快速发展起着重要的作用。

钢丝绳索具压制成形过程非常复杂，钢丝绳空间螺旋结构的复杂性决定了其受力的复杂性，它在工作过程中承受拉伸应力、弯曲应力、扭转应力和股内钢丝之间接触应力。国内外学者建立了单捻钢丝绳有限元分析模型，分析了在轴向载荷作用下平直单捻钢丝绳的性能特性4。文献建立了6X7+IWRC钢丝绳数学模型，分析在不同载荷下钢丝绳绳芯的应变，并进行了试验验证。文献通过采用有限元法建立了1×7钢丝绳计算模型，模拟仿真的捻制成形钢丝残余应力与实验结果吻合。文献进行了钢丝绳成形过程数值模拟和制品力学强度分析的研究工作，对简单直股和独立绳芯进行了应力分析。

传统钢丝绳索具都采用单一的钢套或铝合金套固结方式，钢套材质的高抗拉强度保证了钢丝绳索具拉力的要求，但由于钢性材质硬度高、压制时塑性变形小致使钢套不能完全与钢丝绳配合接触，不能抵抗索具高强度负载时的绳套固结处巨大剪应力；然而单一的铝合金套材质由于良好塑性变形能力，能与钢丝绳完全接触，保证了索具高强度负载时抗剪力能力，但同时降低了索其抗承载能力。因此整合钢套高的抗拉强度与铝合金套高的抗剪强度，提出复合型固结索具，即采用钢套加铝套的新型压制固结方式。根据钢丝绳是一种由钢丝捻制成股、股捻制成绳的空间螺

旋体的特性，应用SolidWorks建立1×7+IWS-24mm型钢丝绳的几何模型，然后采用ABAQUS软件并结合显示动力学方法对钢

丝绳复合套不同间隙（O~5）mm和复合方式（铝套-钢套、钢套-铝套）进行FEA分析。为钢丝绳复合套素具的压制成形以及获得良

好力学性能提供理论指导和支撑。

2钢丝绳复合套索具结构特征与实体建模

以1×7+IWS-24mm单股折返型钢丝绳复合压套索具为研

究对象，IWS代表独立钢芯结构，其芯丝、侧丝直径均为8mm，钢丝绳直径为24mm，捻向为右同向捻；钢套的长度为20mm，壁厚为9mm.铝套长度为50mm，壁厚也为9mm，在单一改变复合方

式或间隙的同时复合套的尺寸参数保持不变。

基于SolidWorks平台，采用参数化修改法建模方法建立

1x7+IWS-24mm单股折返式钢丝绳模型，相比完全程序法、曲线插入法等建模方法而言，该方法的优势是只需对某些特定的尺寸参数进行修改即可得到需要的模型，适合于建模过程繁琐、可变

参量少的情况，整个建模过程方便高效，且得到的模型精确度高。然后将整个复合套钢丝绳索具各个部件分别进行独立建模，最后对钢丝绳、钢套、铝套和上下两个模具采用一系列配合约束完成

装配。该1×7+IWS单股复合套钢丝绳索具的几何模型，如图1所

示。模具间隙船套

钢套、钢丝绳|

图l钢套-铝套复合索具压制模型

Fig.1 Sling Supresion Model of Combination Steel-Alhuminum Sets拟采用单因素控制变量法分别改变间隙和复合套的复合方

式来分析复合套索具成形过程中钢丝绳的应力分布特征，上下模具为对称结构，且压制成形后模具几乎不变形，其复合套钢丝绳

索具的相关参数，如表1所示。

3有限元模型的建立

运用ABAQUS软件对复合套索具进行成形仿真分析研究，首先采用Remove Faces命令将模具实体模型转化为模具刚体壳模型，将大量的减少网格数量和计算机内存容量，以及提高计算

效率。转化后的几何模型，如图2所示。

图2钢套-铝套复合索具转化模型

Fig2Sling Trunsform Model of Combination Steel-Alumimum Sets钢丝绳索具压制成形过程非常复杂.属于高度非线性问题，首先由钢丝绳的点接触类型，逐渐演变为线接触，进而再转化为

钢丝绳之间的面接触。而ABAQUS显示动力学方法对处理接触

条件变化的高度非线性问题非常有效，它的求解方法是在时间域中以很小的时间增量步向前推出结果，而无需在每一个增量步求

解耦合的方程系统，或者生成总体刚度矩阵，对任意的拉格朗

日一欧拉（ALE）自适应网格功能可以有效地模拟大变形非线性

问题。因而应用ABAQUS显示动力学方法，并采用ABAQUS/

E.splicit 模块中的General Contact接触方式。可以准确的模拟压制成形过程中接触状态的变化。为了达到合理的仿真效果，需改

变网格种子的大小，并采用Advancing Front网格算法，该算法容易得到大小均匀单元网格，且网格可以与种子的位置良好的吻

合，容易实现从粗网格到细网格的过渡。由于钢丝绳独特的空间

螺旋特征，对钢丝绳采用8节点六面体线性减缩积分（C3D8R）显

示单元进行扫掠网格划分；复合套（钢套和铝套）结构规则，故均

采用8节点六面体线性减缩积分（C3D8R）显示单元进行结构化网格划分；刚体模具采用4节点四面体线性单元（C3D4）进行自

由网格划分。该1×7+IWS单股复合套钢丝绳索具的有限元模型，如图3所示。

图3钢套-铝套复合索具压制有限元模型

Fig3Sling Supresion FEA Model of Combination Steel-Aluminum Sets

4复合套索具压制成形应力分析

复合套之间的间隙（O-5）mm和复合方式（铝套-钢套、钢套-

铝套）都直接影响着钢丝绳的应力分布大小，从而影响钢丝绳的

工作性能。因此，需要对其应力场分布进行分析研究，为了得到其应力分布特性，对钢丝绳索具进行FEA分析。首先定义钢丝绳索具边界条件：下模具进行全约束，即约束6个自由度，上模具采用

Displacement约束，对上模具施加向下的24mm的位移载荷。然后运用Mises屈服准则和Prandl-Reuss应力应变关系推导出弹塑性刚度矩阵，采用Augnmented Lagrange method算法计算。最后应用Dynamic Explicit 求解器对复合套索具（铝套-钢套、钢套-铝套）进行压制成形仿真求解。

4.1铝套-钢套复合索具压制成形应力分析

铝套-钢套（钢套靠近环眼部位）复合套复合方式即将钢丝

绳末端经过弯制先穿入钢套再穿入铝套，后经模具压制，与绳体固结在一起形成环眼的铝套-钢套复合钢丝绳索具。改变两者之

间的间隙配合，从0mm间隙依次增加1mm直到增加到5mm间隙。观察不同间隙情况下，钢丝绳在压制成型后其应力的分布特

征和变化趋势。仿真分析结果，如图4-图5所示。

|8.ma

（a）铝套-钢套复合索具应力场（b）钢丝绳应力场

图4铝套-钢套复合索具、绳应力场（2mm间隙）Fig.4 Stress Field of Comthination Wire Rope Rigging af Aluminum-SteelSets and Wire Rope（2mm Gap）

912十

s减906十

904005 1 15 22533.54455翻套-钢套复合问隙（mm图5钢丝绳最大应力值与复合套间隙的关系

Fig5 The Relationship between the Macimum Stress Value of Wire Rope and the Clearance of Compasite Sleeve通过对复合套（0-5）mm间隙配合的分析发现，钢丝绳最大

应力随间隙的增加呈“V”字型分布，在间隙为2mm时，钢丝绳的最大应力值最小，为902.4MPa。由于钢丝绳应力大小和分布均匀性与疲劳寿命密切相关”。因此要以钢丝绳应力最小且分布均匀为原则，同时也需综合考虑复合套的应力分布，而行业中钢丝绳索具失效往往发生在钢丝绳上，复合套远远在安全范围内，故主要分析钢丝绳的内部应力分布情况。研究表明，钢丝绳复合套索

具间隙为4mm和5mm时钢丝绳的最大应力值较大，2mm间隙时最大应力值最小，故重点对比分析2mm、4mm、5mm间隙时的钢丝绳内部应力分布情况。由于研究的钢丝绳模型为空间折返

式，因而有钢丝绳直线段（下段）和折返段（上段）两部分，分别对以上3种间隙各取钢丝绳截面径向的5个特征点，分别为钢丝绳

上段芯丝中心、钢丝绳上下两段压制后结合部左右两个钢丝中

心、上下两段压制后结合部中间钢丝中心、下段芯丝中心。为便于分析不同间隙钢丝绳内部应力分布均匀性，对每种间隙的5个特征点按描述顺序进行1到5序号编号，如图6-图7所示。图6中

不同间隙的5个特征点的应力值，其同一行左边数字代表特征点的节点编号。右边数字代表应力值。（如第一个特征点序号1的

866.872.786.其866是该特征点的节点编号，872.786为其应力值）。

8.WMie0.

|次一.9.）T18呢般批好

图6钢丝绳截面内部分布云图（2mm间隙）Fig.6 The Intermal Distribution Stress of the Wire Rope Section（2mm（Gap）

950900卷兴0十

750126群房的早45图7不同间隙的同一截面五个特征点处钢丝绳内部应力值

Fig7The Intermal Stress Valhe of Wire Rope at Five Characteritic Points of the Same Section af Diferent Clearunce研究表明，钢丝绳压制完成后上段与下段钢丝绳接触处的

钢丝应力较大，且上段芯丝比下段芯丝应力大。由图7知，对比钢

丝绳复合套间隙为2mm、4mm、5mm时钢丝绳的应力分布特性，

2mm间隙内部各处应力均最小，且应力分布均匀，应力波动为

8%。因此采用铝套-钢套复合方式，以钢丝绳应力最小且分布均匀为原则，则应选用2mm间隙配合进行索具压制成形，此时钢丝绳应力最小且分布均匀，所以2mm间隙时铝套-钢套复合钢丝绳

索具有着良好的力学综合性能，能较好的满足工作要求。

4.2钢套-铝套复合索具压制成形应力分析

钢套-铝套（铝套靠近环眼部位）复合套复合方式即将钢丝

绳末端经过弯制先穿入铝套再穿入钢套，后经模具压制，与绳体

固结在一起形成环眼的钢套-铝套复合钢丝绳索具。采用与铝

套一钢套相同的研究方法即改变两者之间的间隙配合，从0mm间隙依次增加1mm直到增加到5mm间隙，进而分析研究此复合

方式下压制成形后其钢丝绳随间隙的变化而产生的应力场分布

情况。其应力分布情况，如图8-图9所示。

5结论

（1）基于SolidWorks-ABAQUS平台，建立1X7+HWS-24mm型单股折返式钢丝绳模型，并将模型导入到ABAQUS中完成有限元模型的建立。

（2）采用铝套一钢套复合方式的钢丝绳索具压制成形后其应力结果显示，钢丝绳最大应力值随间隙的增加呈“V“字型分布。在2mm间隙时其钢丝绳最大应力值最小为902.4MPa，且钢丝绳应力分布均匀，应力波动为8%。

（3）采用钢套一铝套的复合方式在不同间隙配合下压制成形后，其钢丝绳应力分布随间隙的增加呈“锯齿形”递增，其配合间隙为0mm时，钢丝绳的最大应力值最小，为897.8MPa.且分布均匀，应力波动为64%。

（4）通过比较两种复合方式的优选方案，发现钢套一铝套复合“零间隙“配合索具压制成形后的钢丝绳最大应力值（897.8MPa）比铝套-钢套复合2mm间隙配合的钢丝绳最大应力值（902.4MPa）小4.6MPa，且应力波动减少1.6%。因此，采用钢套-

铝套复合“零间隙”钢丝绳索具进行压制成型后其力学性能最佳，钢丝绳索具在服役过程中满足工作要求的同时将会有更长的使用寿命。