7×7交互捻钢丝绳拉伸特性的研究

姚利丽，周 洁，曹文涛

（1.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏 泰州 225721；2.江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室，江苏 泰州 225721）

钢丝绳因具有较好的拉伸性能和较高的抗冲击韧性等优点被广泛应用于工程制造和生产实践中[1-3]。钢丝绳的复杂结构导致其理论计算十分麻烦，且计算模型不能精确反映实际情况，而仅仅通过试验来测试钢丝绳力学性能又不能高效地为钢丝绳结构设计提供指导。有限元技术的发展极大地提高了生产实践的效率和质量。对钢丝绳进行有限元模拟分析，可以清晰、直观地看到钢丝绳的受力特点，从而分析钢丝绳在设计和使用过程中应注意的因素。钢丝绳的强度和寿命主要取决于制绳钢丝的材料性能及其受力分布。要提高钢丝绳的性能，除了改善制绳钢丝的力学性能外，还必须了解其受力特性[4]。因此，研究钢丝绳的受力特性具有非常重要的意义。

为研究不同捻距对7×7Φ3.0 mm交互捻钢丝绳拉伸特性的影响，本研究设计了4种不同规格的钢丝绳模型，进行拉伸有限元模拟。通过分析钢丝绳内部应力的分布规律，并与试验结果相结合，探讨拉伸性能好的钢丝绳的结构特点，为钢丝绳设计提供指导。

1 有限元模型

7×7Φ3.0 mm交互捻钢丝绳的几何模型如图1所示，4种规格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）钢丝绳的具体参数如表1所示。

表1 4种规格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）钢丝绳的参数

将建立好的三维几何模型导入Workbench软件中进行静力学分析，钢丝的弹性模量设为200 GPa，泊松比设为0.3，钢丝之间摩擦因数设为0.17，钢丝绳一端受固定约束，另一端受轴向拉伸载荷，模拟分析载荷在0～10 kN时的钢丝绳受力情况。

2 模拟结果分析

2.1 钢丝绳应力分布云图

因钢丝绳拉伸端面受到较大的载荷，应力集中比较明显，故取钢丝绳长度方向的中间截面（以下简称钢丝绳中间截面）为研究对象进行对比分析。钢丝绳中间截面在拉伸载荷为10 kN时的应力云图如图2所示。

从图2可以看出，4种规格钢丝绳的应力分布为芯部最大、边部最小，钢丝之间的接触点处出现应力集中现象。钢丝绳受到拉伸载荷时，不同位置的钢丝应变程度不同，接触应力也不同，导致钢丝绳应力分布不均匀。钢丝绳应力最大的地方在芯股芯丝与芯股面丝的接触点处[4]。由于绳的捻距较小，规格A的应力明显大于其他3种规格；与规格B相比，规格D增大了股的捻距，使得面股应力相对较小；与规格C相比，规格D增大了绳的捻距，使得钢丝绳整体应力相对较小。应力云图证明了捻距对钢丝绳的应力分布有很大影响，而应力分布会影响钢丝绳的强度及寿命[5-7]，因此合理设计捻距对提高钢丝绳的性能和寿命很重要。

2.2 钢丝绳应力与拉伸载荷的关系

4种规格钢丝绳Misses应力与拉伸载荷的关系曲线如图3所示，图中Mises应力取截面中同一类型单元的平均值。

从图3可以看出，各规格钢丝绳的Mises应力随着拉伸载荷的增大近似呈线性增大。4种规格钢丝绳的芯丝所受的应力普遍较大，尤其是芯股芯丝，这是因为当拉伸载荷较小时，芯丝的实际拉伸应变与绳相同，变形程度越大，所受的应力越大；而面丝的拉伸应变受捻距的影响较大，先发生结构伸长，变形程度较小，所受的应力也较小。当拉伸载荷增大到一定程度，钢丝绳股线、芯线位置发生微小错动，股线与芯线之间的接触面积增大，应力值趋于一致，直至发生断裂。

3 钢丝绳拉伸试验

选取4种规格的钢丝绳各5根，根据GB/T 8358—2014《钢丝绳 实际破断力测定方法》进行拉伸测试，研究捻距对钢丝绳破断力的影响，破断力取平均值，测试结果如图4所示。

从图4可以看出，规格A的破断力最小，规格D的破断力最大，说明钢丝绳整体应力越小，所能承受的破断力越大。再次证明了捻距会影响钢丝绳的应力分布，进而影响钢丝绳的力学性能。

对比规格B与规格D可以看出，增大股的捻距可增大钢丝绳破断力；再对比规格C与规格D，增大绳的捻距也可以增大钢丝绳破断力，且相对于增大股的捻距，其对钢丝绳破断力的提升更为有效。

4 结论

（1）在轴向拉伸载荷下，交互捻钢丝绳的应力分布与捻距有很大的关系，捻距越小，应力越大，并且应力集中现象主要发生在钢丝之间的接触点处。

（2）在轴向拉伸载荷下，钢丝绳中芯丝所受的应力较大，尤其是芯股芯丝所受的应力最大。

（3）在合理范围内，增大股和绳的捻距可明显增大钢丝绳的破断力。

通过有限元模拟分析方法可以直观地获取钢丝绳的应力分布状态，为进一步钢丝绳结构设计研究提供了方向，试验结果与模拟结果的一致性也为下一步进行钢丝绳拉伸断裂分析提供参考，为预测钢丝绳的破断力奠定基础。