起重机用钢丝绳拉伸失效有限元分析及实验研究

引言

起重机作为现代工业和工程建设中不可或缺的关键设备，广泛应用于港口装卸、建筑施工、制造业等诸多领域。其安全可靠运行对于保障生产活动的顺利进行以及人员和设备的安全至关重要。钢丝绳作为起重机的核心承载部件，承担着传递拉力、提升重物的关键任务。然而，在实际使用过程中，由于受到复杂的载荷工况、恶劣的工作环境以及自身材料性能等多种因素的综合影响，钢丝绳容易发生拉伸失效，进而引发严重的安全事故。据相关统计数据显示，因钢丝绳失效导致的起重机安全事故在各类起重机故障事故中占据了相当高的比例，给生命财产带来了巨大损失。因此，深入研究起重机用钢丝绳拉伸失效问题，准确掌握其失效机制，对于提高起重机的安全性和可靠性具有极其重要的现实意义。

1 钢丝绳结构与力学特性

1.1 钢丝绳结构

钢丝绳作为起重机的关键部件，其结构较为复杂。以常见的 6×36+WS 结构右交互捻圆股钢丝绳为例，它由 6 个股围绕绳芯呈螺旋状排列组成。每个股又包含多根钢丝，其中股芯由多根钢丝捻制而成，外层钢丝围绕股芯呈一定捻角排列。这种复杂的结构使得钢丝绳在受力时，内部钢丝之间存在着相互作用，包括挤压、摩擦等。绳芯在钢丝绳中起到支撑和增加柔韧性的作用，不同材质的绳芯（如纤维芯、钢芯等）对钢丝绳的力学性能有着不同程度的影响。

1.2 力学特性

各钢丝在径向压力和轴向拉力作用下会产生摩擦力。钢丝绳内部钢丝的应力状态不仅依赖于几何和螺旋线的构成，还与其在整绳中的位置密切相关。在拉伸过程中，钢丝绳首先会经历弹性变形阶段，此时应力与应变呈线性关系。随着载荷的增加，当应力超过弹性极限后，钢丝绳进入塑性变形阶段，内部钢丝开始发生滑移和变形。当载荷继续增大到一定程度时，钢丝绳会发生拉伸失效，表现为钢丝断裂、股断裂甚至整绳断裂。

2 起重机用钢丝绳拉伸失效有限元分析及实验研究

2.1 有限元网格划分

在有限元软件中进行三维实体单元划分时，选择恰当的单元类型对于提升计算精度和降低成本具有决定性作用。采用具有增强应变或不兼容模式的单元（如八节点六面体单元），这些单元在处理小变形问题时能够提供更为精确的位移和应力结果。Hypermesh 软件中的Solidmap 技术是一种高效的网格划分方法，专用于在三维实体模型上创建结构化的六面体网格。该技术能生成高质量的网格，这些网格在有限元分析中通常能提供更高的计算精度和更好的收敛性。有限元法在钢丝绳准静态拉伸断裂仿真中通过建立几何模型和有限元模型，分析钢丝绳在拉伸过程中的应力应变分布。这种方法能模拟复杂的捻制结构和多种载荷作用下的钢丝绳行为，考虑拉伸、扭转、剪切和弯曲等影响。应用情况广泛，包括起重机系统中钢丝绳的动态特性研究，以及在提升过程中的拉伸应力和位移分布分析。有限元法的优势在于其能够提供精确的应力应变数据，预测钢丝绳的损伤状况和失效机理。钢丝绳的绳芯和侧股均通过 Hypermesh 中的自动网格划分工具生成高精度的面网格，随后利用Solidmap 技术生成六面体网格。通过对比不同网格密度下的模拟结果，可以确定最适合的网格密度进行计算。

2.2 接触属性设置

在钢丝绳的有限元计算中，存在着两种类型的接触对，即钢丝与钢丝、钢丝与绳芯的接触对。均选用主从接触算法在两接触体间传递载荷。根据面 - 面接触对中，主面可以穿透从面内，但从面不能穿透主面的原则，在建立钢丝和绳芯的接触时，钢丝为主面，绳芯为从面；在建立外层相邻钢丝之间的接触时，每根钢丝既可做主面又可做从面。接触对能让 ABAQUS 识别两接触体是接触还是分离，同时两接触面间采用有限滑移模式。在钢丝绳服役初期，由于生产商在钢丝绳内充满了润滑油脂，钢丝间的摩擦系数很小，可以忽略不计。然而当钢丝绳服役一段时间后，润滑脂失效，摩擦系数增大。

2.3 模拟结果分析

从模拟结果可以看出，在拉伸初期，钢丝绳内部应力分布相对较为均匀，但随着载荷的增加，应力逐渐集中在外层钢丝与股绳的接触部位以及钢丝绳的弯曲部位。当载荷达到一定程度时，这些应力集中区域的应力值超过钢丝的屈服强度，开始出现塑性变形。进一步增加载荷，塑性变形区域不断扩大，最终导致钢丝断裂，进而引发钢丝绳的整体拉伸失效。同时，通过分析模拟结果中的应变数据，可以了解钢丝绳在拉伸过程中的变形规律，为评估其承载能力和使用寿命提供重要依据。

3 钢丝绳拉伸实验

制备和仿真模型相同的 5 根钢丝绳样品，采用电液伺服万能试验机（ 0～2000kN ）进行拉伸实验，探究钢丝绳的破断力特性，表 1 详细记录了各样品的破断力及仿真破断力与该样本之间的百分比误差。钢丝绳样本的破断力分布范围为 1080～1143N ，平均值为 1121N。有限元模型预测的 1166N 和实验样本最大误差 7.38% ，平均误差 3.86% 。这一误差水平表明，仿真模型在预测钢丝绳破断力方面展现出较高的准确性。不仅验证了仿真模型的有效性，也为钢丝绳在实际工程应用中的性能评估提供了可靠的数据支持。误差的存在可能源于材料微观结构的变异性、制造工艺的差异以及环境因素的影响，这些因素在仿真模型中可能未被完全考虑或精确模拟。可以通过进一步的模型校准和参数优化，仿真结果与实验数据之间的吻合度可以得到进一步提升，从而为钢丝绳的设计和使用提供更加精确的指导。

4 结果讨论

通过有限元分析得到的钢丝绳应力分布规律和疲劳寿命情况，与实际使用中钢丝绳的失效现象具有较好的一致性。应力集中区域与实际观察到的钢丝断裂位置相吻合，说明有限元模型能够较为准确地反映钢丝绳在拉伸载荷下的力学行为。在实际应用中，根据分析结果，可以有针对性地对钢丝绳的设计和使用进行优化。例如，对于应力集中严重的股芯钢丝，可以采用更高强度的材料或改进其表面处理工艺，以提高其抗疲劳性能；在使用过程中，合理控制钢丝绳的载荷和工作环境，避免因过载和恶劣环境导致钢丝绳过早失效。同时，有限元分析方法也为进一步研究钢丝绳在复杂工况下的力学性能提供了有力的工具，可以通过改变模型参数，模拟不同结构、材料和工况下钢丝绳的性能，为钢丝绳的研发和应用提供更多的理论支持。

结语

综上所述，可根据不同工况下钢丝绳的应力分布特点，选择合适结构和强度等级的钢丝绳。同时，对于钢丝绳的设计优化具有重要指导意义，可通过改进钢丝绳结构、采用新型材料等方式，提高其抗拉伸失效能力。此外，在起重机的日常维护和安全管理中，应重点关注钢丝绳应力集中区域的检测和监控，及时发现潜在的安全隐患，采取有效的预防措施，确保起重机的安全可靠运行。未来的研究可以进一步拓展，考虑更多复杂工况，如冲击载荷、振动等对钢丝绳拉伸失效的影响，以及不同环境因素，如腐蚀、高温等对钢丝绳性能的劣化作用，以不断完善对起重机用钢丝绳拉伸失效问题的认识和研究。

参考文献：

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