摘 要

不旋转钢丝绳几乎不发生旋转的特点使得它被广泛应用在在港口装卸、单绳吊重等具有比较高的起升高度、一定的载重，以及要求平稳的起重设备中，货物的提升和搬运都是由它的卷绕、提拉实现的。

为此本文将对19×7类的不旋转钢丝绳进行三维的实体的建模，并用有限元软件对其模型进行受力的模拟，来观察其中每根钢丝的应力分布，将会展示出建模以及分析的每一步过程并结果进行总结。

然后通过对港机上使用过的7×7的失效绳进行显微观察，观察对比其摩擦磨损的部位，来得出其失效的原因，并对这些结果进行总结，为不旋转钢丝绳的失效原因分析以及寿命估计提供一定的理论基础。

关键词：不旋转；钢丝绳；有限元分析；建模；失效分析

Abstract

Rope rotation pinwheel does not occur almost characteristics such that it is widely used in having a relatively high lifting height in port handling, single rope hoist, etc., some of the load, as well as for a smooth lifting equipment, Lifting and handling of goods are determined by its wound, pulling achieve.

To this end three-dimensional modeling entity herein will rope rotation 19×7 class, And its model using the finite element software to simulate the force to observe the stress distribution in which each wire. We will demonstrate the modeling and analysis of each step of the process and the results are summarized.

Then through the port machinery used on a 7×7 rope failure microscopic observation, observed and compared their friction and wear parts, to obtain reasons for its failure, and these results are summarized, the reasons for the non-rotating wire rope failure analysis and life estimation to provide a theoretical basis.

Key Words：Not rotating；Wire Rope；Finite Element Analysis；Modeling；Failure Analysi

目 录

第一章 绪论 1

1.1钢丝绳的构造与其特点 1

1.2国内外研究的发展历程和近况 1

1.3 本课题的主要研究内容 2

第二章 钢丝绳的三维建模和有限元模拟 4

2.1 引言 4

2.2 模拟过程及记录 4

2.2.1 在AutoCAD中建立钢丝绳的三维模型 4

2.2.2 在Solidworks中对模型进行后处理 10

2.2.3 将模型导入ANSYS workbench中进行静力学分析 13

2.3 模拟结果小结 17

第三章 钢丝绳的失效行为分析 18

3.1 引言 18

3.2 实验过程记录 18

3.2.1钢丝绳断丝断口形貌 18

3.2.2 钢丝微观断口形貌 20

3.2.3 显微组织观察 22

3.3 实验结果分析讨论 23

3.3.1钢丝绳的断丝宏观分析 23

3.3.2 断口分析 24

3.3.3 金相组织形貌分析 25

3.4 结论 25

第四章 结论 26

4.1 主要工作及结论 26

4.2 创新点 26

4.3 展望及建议 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1钢丝绳的构造与其特点

钢丝绳是一种用多根或者多股细钢丝捻制而成的一种空间螺旋结构制品，先由多层的细钢丝先拧成股，配合一定的绳用油脂，再以绳芯为中心，多股钢丝环绕绳芯捻制而成，绳芯材料可能是钢丝，也可能是纤维绳。这种独特的构造使得钢丝绳在一般情况下属于挠性制品，当它受到拉力的时候，它又会钢化，这种属性使得钢丝绳广泛应用在矿业、运输、军事、交通等各种生活以及工程实例当中，在物料搬运、索道、牵引等方面应用广泛。

钢丝绳在实际工作中主要有三种状态：一是作为静绳，起到拉张、捆绑、支撑和紧固作用，二是作为动绳，起到弯曲、环绕的作用，可以将旋转运动变成直线运动，三是可以吸收能量，起到抗震、缓冲的作用，有利于延长机器使用寿命、保障货物安全等作用。因为钢丝绳的内部结构比较复杂，所以钢丝绳的受力也很复杂，如果是受到拉伸力，钢丝绳内部不仅会产生拉应力，丝与丝之间还会产生接触应力，除此以外，钢丝绳内部还会产生弯曲应力和因扭转造成的剪应力等等，各钢丝中的应力状态除了会受到钢丝几何参数和螺旋线的构成的影响，而且还要参考其在整根钢丝绳中的位置等等因素，所以对于钢丝绳这种受力复杂的系统，建立一个能够模拟钢丝绳实际的模型显得格外重要。

钢丝绳力学模型的正确建立很重要，目前国内外采用有限元法在钢丝绳研究领域有了较多的应用，在钢丝绳建模方面，国内外学者建立了一些钢丝绳分析模型，由于钢丝绳的结构相对复杂，每根钢丝绳都是由十几根甚至上百根细钢丝绕成，这种复杂的结构以及庞大的数目它的建模及模拟分析都十分困难，而且钢丝绳的类型多种多样，其建模方法也各不相同。为了正确认识钢丝绳的受力行为，安全使用钢丝绳，建立起科学的钢丝绳力学模型在后续对其进行模拟分析时具有非常重要意义，现阶段有限元分析方法已经得到了成熟的发展，市面上各种有限元分析软件也越来越多，所以建立一个正确的钢丝绳模型，对现在以及以后最钢丝绳的研究是十分必要的。

1.2国内外研究的发展历程和近况

钢丝绳的使用非常广泛，为了保障人员财产的安全，人们尝试预测钢丝绳的失效行为，国内外已经有很多学者对钢丝绳进行了研究。Cress和Starkey通过一系列的计算，创建了研究钢丝绳疲劳问题的简化力学模型^[1]， Philips和Costello研究钢丝绳的非线性扭矩行为，还有在受到轴向载荷时钢丝绳的结构、摩擦特性、应力分析、静态特性和力学模型上的变化 ^[2]，根据Costello的研究，Kumar等人提出了一种通过线性模型来分析以纤维绳为绳芯的多股钢丝绳在负载下的弹性形变的例子 ^[3]，有些人建立了一些钢丝绳的有限元模型并对其进行分析和计算，所得到的结果与理论上的结果和一些实验的结果比较一致，如Nawrocki^[4]和Jiang^[5]等，在钢丝和钢丝绳的内部摩擦特性方面，也有很多人提出了一些理论模型，如Vinogardov^[6]和Leclair^[7]等，马军等人运用ANSYS模拟了普通钢丝绳在受到轴向的拉力作用下的静力学特性，成功建立了一种较为科学的实体模型^[8]，Hruska假设在钢丝绳中每根细钢丝只受到水平拉伸力，也只发生微小变形的这种理想情况下，计算出了股内钢丝中拉伸、切向和径向上力的表达方式^[9]，基于Hruska的研究，余万华等人进行了6×7类钢丝绳的应力分析^[10]。

而在钢丝绳的失效行为上，国内外也有大量的学者进行了研究，通过钢丝绳疲劳寿命的实验，以及对比了电子显微镜对钢丝绳断口的放大观察，陶德馨对钢丝绳的疲劳寿命与其表层钢丝的磨损状况的关系做了分析^[11]，廖红卫等通过使用钢丝绳—滑轮综合测试疲劳试验装置研究当仅以滑轮绳槽的硬度作为变量时对钢丝绳的摩擦磨损的不同情况，发现高硬度和低硬度都可能更容易引起损伤^[12]，合理的搭配使用滑轮使我们需要研究的，李婷使用Workbench分析了1×7单股钢丝绳的疲劳状态^[13]，M.K.Singh等人对矿用提升绞车上的失效钢丝绳进行宏观和微观角度上的整体分析，证实了由于磨损和疲劳引起的断丝是矿井提升钢丝绳失效的主要原因 ^[14]， Schrems提出由于部分钢丝绳提前变形导致产生钢丝绳内部产生更多的磨损，这种磨损最终导致断丝的产生，对矿用提升绞车上的钢丝绳的失效原因作了更深入的研究^[15]，正因为有了这么多前辈们的研究，使得钢丝绳的力学模型一直处于不断地改进与完善当中。