7×7交互捻鋼絲繩拉伸特性的研究

姚利麗，周 潔，曹文濤

（1.江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結構與功能金屬復合材料重點實驗室，江蘇 泰州 225721）

鋼絲繩因具有較好的拉伸性能和較高的抗沖擊韌性等優點被廣泛應用于工程制造和生產實踐中[1-3]。鋼絲繩的復雜結構導致其理論計算十分麻煩，且計算模型不能精確反映實際情況，而僅僅通過試驗來測試鋼絲繩力學性能又不能高效地為鋼絲繩結構設計提供指導。有限元技術的發展極大地提高了生產實踐的效率和質量。對鋼絲繩進行有限元模擬分析，可以清晰、直觀地看到鋼絲繩的受力特點，從而分析鋼絲繩在設計和使用過程中應注意的因素。鋼絲繩的強度和壽命主要取決于制繩鋼絲的材料性能及其受力分布。要提高鋼絲繩的性能，除了改善制繩鋼絲的力學性能外，還必須了解其受力特性[4]。因此，研究鋼絲繩的受力特性具有非常重要的意義。

為研究不同捻距對7×7Φ3.0 mm交互捻鋼絲繩拉伸特性的影響，本研究設計了4種不同規格的鋼絲繩模型，進行拉伸有限元模擬。通過分析鋼絲繩內部應力的分布規律，并與試驗結果相結合，探討拉伸性能好的鋼絲繩的結構特點，為鋼絲繩設計提供指導。

1 有限元模型

7×7Φ3.0 mm交互捻鋼絲繩的幾何模型如圖1所示，4種規格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）鋼絲繩的具體參數如表1所示。

表1 4種規格0.365＋6×0.35＋6×（0.35＋6×0.33）鋼絲繩的參數

將建立好的三維幾何模型導入Workbench軟件中進行靜力學分析，鋼絲的彈性模量設為200 GPa，泊松比設為0.3，鋼絲之間摩擦因數設為0.17，鋼絲繩一端受固定約束，另一端受軸向拉伸載荷，模擬分析載荷在0～10 kN時的鋼絲繩受力情況。

2 模擬結果分析

2.1 鋼絲繩應力分布云圖

因鋼絲繩拉伸端面受到較大的載荷，應力集中比較明顯，故取鋼絲繩長度方向的中間截面（以下簡稱鋼絲繩中間截面）為研究對象進行對比分析。鋼絲繩中間截面在拉伸載荷為10 kN時的應力云圖如圖2所示。

從圖2可以看出，4種規格鋼絲繩的應力分布為芯部最大、邊部最小，鋼絲之間的接觸點處出現應力集中現象。鋼絲繩受到拉伸載荷時，不同位置的鋼絲應變程度不同，接觸應力也不同，導致鋼絲繩應力分布不均勻。鋼絲繩應力最大的地方在芯股芯絲與芯股面絲的接觸點處[4]。由于繩的捻距較小，規格A的應力明顯大于其他3種規格；與規格B相比，規格D增大了股的捻距，使得面股應力相對較小；與規格C相比，規格D增大了繩的捻距，使得鋼絲繩整體應力相對較小。應力云圖證明了捻距對鋼絲繩的應力分布有很大影響，而應力分布會影響鋼絲繩的強度及壽命[5-7]，因此合理設計捻距對提高鋼絲繩的性能和壽命很重要。

2.2 鋼絲繩應力與拉伸載荷的關系

4種規格鋼絲繩Misses應力與拉伸載荷的關系曲線如圖3所示，圖中Mises應力取截面中同一類型單元的平均值。

從圖3可以看出，各規格鋼絲繩的Mises應力隨著拉伸載荷的增大近似呈線性增大。4種規格鋼絲繩的芯絲所受的應力普遍較大，尤其是芯股芯絲，這是因為當拉伸載荷較小時，芯絲的實際拉伸應變與繩相同，變形程度越大，所受的應力越大；而面絲的拉伸應變受捻距的影響較大，先發生結構伸長，變形程度較小，所受的應力也較小。當拉伸載荷增大到一定程度，鋼絲繩股線、芯線位置發生微小錯動，股線與芯線之間的接觸面積增大，應力值趨于一致，直至發生斷裂。

3 鋼絲繩拉伸試驗

選取4種規格的鋼絲繩各5根，根據GB/T 8358—2014《鋼絲繩 實際破斷力測定方法》進行拉伸測試，研究捻距對鋼絲繩破斷力的影響，破斷力取平均值，測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出，規格A的破斷力最小，規格D的破斷力最大，說明鋼絲繩整體應力越小，所能承受的破斷力越大。再次證明了捻距會影響鋼絲繩的應力分布，進而影響鋼絲繩的力學性能。

對比規格B與規格D可以看出，增大股的捻距可增大鋼絲繩破斷力；再對比規格C與規格D，增大繩的捻距也可以增大鋼絲繩破斷力，且相對于增大股的捻距，其對鋼絲繩破斷力的提升更為有效。

4 結論

（1）在軸向拉伸載荷下，交互捻鋼絲繩的應力分布與捻距有很大的關系，捻距越小，應力越大，并且應力集中現象主要發生在鋼絲之間的接觸點處。

（2）在軸向拉伸載荷下，鋼絲繩中芯絲所受的應力較大，尤其是芯股芯絲所受的應力最大。

（3）在合理范圍內，增大股和繩的捻距可明顯增大鋼絲繩的破斷力。

通過有限元模擬分析方法可以直觀地獲取鋼絲繩的應力分布狀態，為進一步鋼絲繩結構設計研究提供了方向，試驗結果與模擬結果的一致性也為下一步進行鋼絲繩拉伸斷裂分析提供參考，為預測鋼絲繩的破斷力奠定基礎。