鋼絲繩復(fù)合套索具壓制成形仿真研究

馬 平，廖能解，歐建國，王志勇

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2 建峰索具有限公司，廣東 廣州 511356）

1 引言

鋼絲繩索具是以鋼絲繩為主要原材料，進(jìn)行插編、壓制等深加工，將鋼絲繩的優(yōu)越性能作進(jìn)一步挖掘和發(fā)揮。鋼絲繩壓制索具是指鋼絲繩端部經(jīng)過彎制形成一定尺寸的環(huán)套，端部穿入鋁套或鋼套經(jīng)模具壓制與繩體固結(jié)在一起形成環(huán)眼的索具[1-2]。鋼絲繩索具是工程吊裝平臺(tái)起柔性連接的關(guān)鍵部件，具有強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、耐磨性好、撓性好等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于海洋工程、船舶運(yùn)輸、礦山機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)我國重工業(yè)的快速發(fā)展起著重要的作用。

鋼絲繩索具壓制成形過程非常復(fù)雜，鋼絲繩空間螺旋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其受力的復(fù)雜性，它在工作過程中承受拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和股內(nèi)鋼絲之間接觸應(yīng)力[3]。國內(nèi)外學(xué)者建立了單捻鋼絲繩有限元分析模型，分析了在軸向載荷作用下平直單捻鋼絲繩的性能特性[4-6]。文獻(xiàn)[7]建立了6X7+IWRC 鋼絲繩數(shù)學(xué)模型，分析在不同載荷下鋼絲繩繩芯的應(yīng)變，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]通過采用有限元法建立了1×7 鋼絲繩計(jì)算模型，模擬仿真的捻制成形鋼絲殘余應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了鋼絲繩成形過程數(shù)值模擬和制品力學(xué)強(qiáng)度分析的研究工作，對(duì)簡單直股和獨(dú)立繩芯進(jìn)行了應(yīng)力分析。

傳統(tǒng)鋼絲繩索具都采用單一的鋼套或鋁合金套固結(jié)方式，鋼套材質(zhì)的高抗拉強(qiáng)度保證了鋼絲繩索具拉力的要求，但由于鋼性材質(zhì)硬度高、壓制時(shí)塑性變形小致使鋼套不能完全與鋼絲繩配合接觸，不能抵抗索具高強(qiáng)度負(fù)載時(shí)的繩套固結(jié)處巨大剪應(yīng)力；然而單一的鋁合金套材質(zhì)由于良好塑性變形能力，能與鋼絲繩完全接觸，保證了索具高強(qiáng)度負(fù)載時(shí)抗剪力能力，但同時(shí)降低了索具抗承載能力。因此整合鋼套高的抗拉強(qiáng)度與鋁合金套高的抗剪強(qiáng)度，提出復(fù)合型固結(jié)索具，即采用鋼套加鋁套的新型壓制固結(jié)方式。根據(jù)鋼絲繩是一種由鋼絲捻制成股、股捻制成繩的空間螺旋體的特性，應(yīng)用SolidWorks 建立1×7+IWS-24mm 型鋼絲繩的幾何模型，然后采用ABAQUS 軟件并結(jié)合顯示動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鋼絲繩復(fù)合套不同間隙（0～5）mm 和復(fù)合方式（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）進(jìn)行FEA 分析，為鋼絲繩復(fù)合套索具的壓制成形以及獲得良好力學(xué)性能提供理論指導(dǎo)和支撐。

2 鋼絲繩復(fù)合套索具結(jié)構(gòu)特征與實(shí)體建模

以1X7+IWS-24mm 單股折返型鋼絲繩復(fù)合壓套索具為研究對(duì)象，IWS 代表獨(dú)立鋼芯結(jié)構(gòu)，其芯絲、側(cè)絲直徑均為8mm，鋼絲繩直徑為24mm，捻向?yàn)橛彝蚰?；鋼套的長度為20mm，壁厚為9mm，鋁套長度為50mm，壁厚也為9mm，在單一改變復(fù)合方式或間隙的同時(shí)復(fù)合套的尺寸參數(shù)保持不變。

基于SolidWorks 平臺(tái)，采用參數(shù)化修改法建模方法建立1x7+IWS-24mm 單股折返式鋼絲繩模型，相比完全程序法、曲線插入法等建模方法而言，該方法的優(yōu)勢(shì)是只需對(duì)某些特定的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改即可得到需要的模型，適合于建模過程繁瑣、可變參量少的情況，整個(gè)建模過程方便高效，且得到的模型精確度高。然后將整個(gè)復(fù)合套鋼絲繩索具各個(gè)部件分別進(jìn)行獨(dú)立建模，最后對(duì)鋼絲繩、鋼套、鋁套和上下兩個(gè)模具采用一系列配合約束完成裝配。該1×7+IWS 單股復(fù)合套鋼絲繩索具的幾何模型，如圖1 所示。

圖1 鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制模型Fig.1 Sling Supression Model of Combination Steel-Aluminum Sets

擬采用單因素控制變量法分別改變間隙和復(fù)合套的復(fù)合方式來分析復(fù)合套索具成形過程中鋼絲繩的應(yīng)力分布特征，上下模具為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且壓制成形后模具幾乎不變形，其復(fù)合套鋼絲繩索具的相關(guān)參數(shù)，如表1 所示。

表1 索具相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of Wire Rope Sling

3 有限元模型的建立

運(yùn)用ABAQUS 軟件對(duì)復(fù)合套索具進(jìn)行成形仿真分析研究，首先采用Remove Faces 命令將模具實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為模具剛體殼模型，將大量的減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量，以及提高計(jì)算效率。轉(zhuǎn)化后的幾何模型，如圖2 所示。

圖2 鋼套-鋁套復(fù)合索具轉(zhuǎn)化模型Fig.2 Sling Transform Model of Combination Steel-Aluminum Sets

鋼絲繩索具壓制成形過程非常復(fù)雜，屬于高度非線性問題，首先由鋼絲繩的點(diǎn)接觸類型，逐漸演變?yōu)榫€接觸，進(jìn)而再轉(zhuǎn)化為鋼絲繩之間的面接觸。而ABAQUS 顯示動(dòng)力學(xué)方法對(duì)處理接觸條件變化的高度非線性問題非常有效，它的求解方法是在時(shí)間域中以很小的時(shí)間增量步向前推出結(jié)果，而無需在每一個(gè)增量步求解耦合的方程系統(tǒng)，或者生成總體剛度矩陣，對(duì)任意的拉格朗日—?dú)W拉（ALE）自適應(yīng)網(wǎng)格功能可以有效地模擬大變形非線性問題。因而應(yīng)用ABAQUS 顯示動(dòng)力學(xué)方法，并采用ABAQUS/Explicit 模塊中的General Contact 接觸方式，可以準(zhǔn)確的模擬壓制成形過程中接觸狀態(tài)的變化。為了達(dá)到合理的仿真效果，需改變網(wǎng)格種子的大小，并采用Advancing Front 網(wǎng)格算法，該算法容易得到大小均勻單元網(wǎng)格，且網(wǎng)格可以與種子的位置良好的吻合，容易實(shí)現(xiàn)從粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格的過渡。由于鋼絲繩獨(dú)特的空間螺旋特征，對(duì)鋼絲繩采用8 節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分（C3D8R）顯示單元進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分；復(fù)合套（鋼套和鋁套）結(jié)構(gòu)規(guī)則，故均采用8 節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分（C3D8R）顯示單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；剛體模具采用4 節(jié)點(diǎn)四面體線性單元（C3D4）進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。該1×7+IWS 單股復(fù)合套鋼絲繩索具的有限元模型，如圖3 所示。

圖3 鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制有限元模型Fig.3 Sling Supression FEA Model of Combination Steel-Aluminum Sets

4 復(fù)合套索具壓制成形應(yīng)力分析

復(fù)合套之間的間隙（0～5）mm 和復(fù)合方式（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）都直接影響著鋼絲繩的應(yīng)力分布大小，從而影響鋼絲繩的工作性能。因此，需要對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行分析研究，為了得到其應(yīng)力分布特性，對(duì)鋼絲繩索具進(jìn)行FEA 分析。首先定義鋼絲繩索具邊界條件：下模具進(jìn)行全約束，即約束6 個(gè)自由度，上模具采用Displacement 約束，對(duì)上模具施加向下的24mm 的位移載荷。然后運(yùn)用Mises 屈服準(zhǔn)則和Prandtl-Reuss 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)出彈塑性剛度矩陣，采用Augmented Lagrange method 算法計(jì)算，最后應(yīng)用Dynamic Explicit 求解器對(duì)復(fù)合套索具（鋁套-鋼套、鋼套-鋁套）進(jìn)行壓制成形仿真求解。

4.1 鋁套-鋼套復(fù)合索具壓制成形應(yīng)力分析

鋁套-鋼套（鋼套靠近環(huán)眼部位）復(fù)合套復(fù)合方式即將鋼絲繩末端經(jīng)過彎制先穿入鋼套再穿入鋁套，后經(jīng)模具壓制，與繩體固結(jié)在一起形成環(huán)眼的鋁套-鋼套復(fù)合鋼絲繩索具。改變兩者之間的間隙配合，從0mm 間隙依次增加1mm 直到增加到5mm 間隙。觀察不同間隙情況下，鋼絲繩在壓制成型后其應(yīng)力的分布特征和變化趨勢(shì)。仿真分析結(jié)果，如圖4～圖5 所示。

圖4 鋁套-鋼套復(fù)合索具、繩應(yīng)力場(chǎng)（2mm 間隙）Fig.4 Stress Field of Combination Wire Rope Rigging of Aluminum-Steel Sets and Wire Rope（2mm Gap）

圖5 鋼絲繩最大應(yīng)力值與復(fù)合套間隙的關(guān)系Fig.5 The Relationship between the Maximum Stress Value of Wire Rope and the Clearance of Composite Sleeve

通過對(duì)復(fù)合套（0～5）mm 間隙配合的分析發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩最大應(yīng)力隨間隙的增加呈“V”字型分布，在間隙為2mm 時(shí)，鋼絲繩的最大應(yīng)力值最小，為902.4MPa。由于鋼絲繩應(yīng)力大小和分布均勻性與疲勞壽命密切相關(guān)[10]。因此要以鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻?yàn)樵瓌t，同時(shí)也需綜合考慮復(fù)合套的應(yīng)力分布，而行業(yè)中鋼絲繩索具失效往往發(fā)生在鋼絲繩上，復(fù)合套遠(yuǎn)遠(yuǎn)在安全范圍內(nèi)，故主要分析鋼絲繩的內(nèi)部應(yīng)力分布情況。研究表明，鋼絲繩復(fù)合套索具間隙為4mm 和5mm 時(shí)鋼絲繩的最大應(yīng)力值較大，2mm 間隙時(shí)最大應(yīng)力值最小，故重點(diǎn)對(duì)比分析2mm、4mm、5mm 間隙時(shí)的鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布情況。由于研究的鋼絲繩模型為空間折返式，因而有鋼絲繩直線段（下段）和折返段（上段）兩部分，分別對(duì)以上3 種間隙各取鋼絲繩截面徑向的5 個(gè)特征點(diǎn)，分別為鋼絲繩上段芯絲中心、鋼絲繩上下兩段壓制后結(jié)合部左右兩個(gè)鋼絲中心、上下兩段壓制后結(jié)合部中間鋼絲中心、下段芯絲中心。為便于分析不同間隙鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布均勻性，對(duì)每種間隙的5 個(gè)特征點(diǎn)按描述順序進(jìn)行1 到5 序號(hào)編號(hào)，如圖6～圖7 所示。圖6 中不同間隙的5 個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，其同一行左邊數(shù)字代表特征點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，右邊數(shù)字代表應(yīng)力值。（如第一個(gè)特征點(diǎn)序號(hào)1 的866，872.786，其866 是該特征點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，872.786 為其應(yīng)力值）。

圖6 鋼絲繩截面內(nèi)部分布云圖（2mm 間隙）Fig.6 The Internal Distribution Stress of the Wire Rope Section（2mm Gap）

圖7 不同間隙的同一截面五個(gè)特征點(diǎn)處鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力值Fig.7 The Internal Stress Value of Wire Rope at Five Characteristic Points of the Same Section of Different Clearance

研究表明，鋼絲繩壓制完成后上段與下段鋼絲繩接觸處的鋼絲應(yīng)力較大，且上段芯絲比下段芯絲應(yīng)力大。由圖7 知，對(duì)比鋼絲繩復(fù)合套間隙為2mm、4mm、5mm 時(shí)鋼絲繩的應(yīng)力分布特性，2mm 間隙內(nèi)部各處應(yīng)力均最小，且應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為8%。因此采用鋁套-鋼套復(fù)合方式，以鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻?yàn)樵瓌t，則應(yīng)選用2mm 間隙配合進(jìn)行索具壓制成形，此時(shí)鋼絲繩應(yīng)力最小且分布均勻，所以2mm 間隙時(shí)鋁套-鋼套復(fù)合鋼絲繩索具有著良好的力學(xué)綜合性能，能較好的滿足工作要求。

4.2 鋼套-鋁套復(fù)合索具壓制成形應(yīng)力分析

鋼套-鋁套（鋁套靠近環(huán)眼部位）復(fù)合套復(fù)合方式即將鋼絲繩末端經(jīng)過彎制先穿入鋁套再穿入鋼套，后經(jīng)模具壓制，與繩體固結(jié)在一起形成環(huán)眼的鋼套-鋁套復(fù)合鋼絲繩索具。采用與鋁套--鋼套相同的研究方法即改變兩者之間的間隙配合，從0mm間隙依次增加1mm 直到增加到5mm 間隙，進(jìn)而分析研究此復(fù)合方式下壓制成形后其鋼絲繩隨間隙的變化而產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。其應(yīng)力分布情況，如圖8～圖9 所示。

圖8 鋼套-鋁套復(fù)合索具、繩應(yīng)力場(chǎng)（0mm 間隙）Fig.8 Stress Field of Combination Wire Rope Rigging of Steel-Aluminum Sets and Wire Rope（0mm Gap）

圖9 鋼絲繩最大應(yīng)力值與復(fù)合套間隙的關(guān)系Fig.9 The Relationship Between the Maximum Stress Value of Wire Rope and the Clearance of Composite Sleeve

研究表明，鋼套-鋁套復(fù)合鋼絲繩索具壓制成形完成后，鋼絲繩最大應(yīng)力隨間隙的增加呈“鋸齒形” 遞增，其配合間隙為0mm 時(shí)，鋼絲繩的最大應(yīng)力值為最小897.8MPa；與上文鋁套--鋼套研究方法相同，取鋼絲繩最大應(yīng)力值為最小時(shí)的0mm 間隙及最大應(yīng)力值較大時(shí)的3mm 和5mm 間隙鋼絲繩兩段同一截面徑向的5 個(gè)特征點(diǎn)，分析不同間隙鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布均勻性，如圖10～圖11 所示。根據(jù)結(jié)果對(duì)比鋼絲繩復(fù)合套間隙為0mm、3mm、5mm 時(shí)鋼絲繩的截面應(yīng)力分布，可知0mm 間隙鋼絲繩內(nèi)部各處應(yīng)力均最小，且應(yīng)力分布均勻，其芯部應(yīng)力較大，偏離芯部鋼絲繩應(yīng)力減小，應(yīng)力波動(dòng)為6.4%。因此，采用鋼套--鋁套復(fù)合方式，則應(yīng)選用0mm 間隙配合，并且與鋁套--鋼套復(fù)合方式下的2mm 間隙優(yōu)選方案相比，其鋼絲繩最大應(yīng)力值減少4.6MPa，應(yīng)力波動(dòng)減少1.6%。因此經(jīng)過兩種復(fù)合方式的比較，應(yīng)選用鋼套--鋁套“零間隙”復(fù)合方式進(jìn)行壓制成型，其工作力學(xué)性能會(huì)更好，在鋼絲繩索具服役過程中將會(huì)更好的滿足工作要求以及具有更長的疲勞壽命。

圖10 鋼絲繩截面內(nèi)部分布云圖（0mm 間隙）Fig.10 The Internal Distribution Stress of the Wire Rope Section（0mm Gap）

圖11 不同間隙的同一截面五個(gè)特征點(diǎn)處鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力值Fig.11 The Internal Stress Value of Wire Rope at Five Characteristic Points of the Same Section of Different Clearance

5 結(jié)論

（1）基于SolidWorks-ABAQUS 平臺(tái)，建立1X7+IWS-24mm型單股折返式鋼絲繩模型，并將模型導(dǎo)入到ABAQUS 中完成有限元模型的建立。

（2）采用鋁套--鋼套復(fù)合方式的鋼絲繩索具壓制成形后其應(yīng)力結(jié)果顯示，鋼絲繩最大應(yīng)力值隨間隙的增加呈“V”字型分布，在2mm 間隙時(shí)其鋼絲繩最大應(yīng)力值最小為902.4MPa，且鋼絲繩應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為8%。

（3）采用鋼套--鋁套的復(fù)合方式在不同間隙配合下壓制成形后，其鋼絲繩應(yīng)力分布隨間隙的增加呈“鋸齒形”遞增，其配合間隙為0mm 時(shí)，鋼絲繩的最大應(yīng)力值最小，為897.8MPa，且分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)為6.4%。

（4）通過比較兩種復(fù)合方式的優(yōu)選方案，發(fā)現(xiàn)鋼套--鋁套復(fù)合 “零間隙” 配合索具壓制成形后的鋼絲繩最大應(yīng)力值（897.8MPa） 比鋁套-鋼套復(fù)合2mm 間隙配合的鋼絲繩最大應(yīng)力值（902.4MPa）小4.6MPa，且應(yīng)力波動(dòng)減少1.6%。因此，采用鋼套-鋁套復(fù)合“零間隙”鋼絲繩索具進(jìn)行壓制成型后其力學(xué)性能最佳，鋼絲繩索具在服役過程中滿足工作要求的同時(shí)將會(huì)有更長的使用壽命。