軸向載荷下鋼絲繩有限元分析及可靠度模型*

林 海 曾世龍

甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 蘭州 730050

0 引言

鋼絲繩由于其獨特的螺旋扭曲結構和機械性能，廣泛用于航空航天，交通與建筑等領域。安全可靠地使用鋼絲繩是確保工程運行的安全重要保障，影響著生產效率和工作人員的人身安全。如果電梯鋼絲繩斷線不加以處理，可能會導致嚴重的事故和災難[1]。例如，2013 年，某次電梯事故造成7人受傷，其中3人傷勢嚴重。涉及電梯和自動扶梯的事故每年在美國造成31人死亡，約17 000人重傷。故設計安全可靠的鋼絲繩已在理論研究與工程應用中受到廣泛關注。

許多研究人員提出了一系列數學模型計算鋼絲繩的整體機械性能。但由于這些模型在計算中的簡化，加工過程與實際情況存在偏差。且有些模型計算過程復雜，很難將相關的計算結果直接用于工程實踐。Kraincanici等[2]研究了鋼絲繩的機械性能，但強度較高的鋼絲繩，不僅對測試設備的要求很高，且僅能獲得一些宏觀力學指標。因此，很多學者借助有限元仿真獲得鋼絲繩的力學性能，能獲得很多有用的微觀力學指標。Nawrocki等[3]考慮了鋼絲之間的相對運動提出了一種基于笛卡爾等參公式的鋼絲繩有限元模型，該模型利用鋼絲繩的線旋轉控制鋼絲繩的軸向運動，利用線滑動控制了鋼絲繩彎曲運動。Judge等[4]建立了多層螺旋絞線電纜的3D有限元模型，并編寫了新程序生成模型復雜的幾何形狀和劃分有限元網格。Foti等[5]提出了模擬軸向扭轉載荷的鋼絲繩新模型。……