多级螺旋结构纤维绳力学行为理论研究

发布时间：2020-11-15 04:38

　　多级螺旋结构在自然和人工材料中无处不在,并被广泛地应用于纤维绳中。在工程应用中,多级螺旋结构纤维绳一般处于复杂的受力状态。因此,为了保证纤维绳安全、高效的工作,对其力学行为进行深入的理论研究具有重要意义。本文以多级螺旋结构绳为研究对象,考虑不同的影响因素(如接触摩擦、纤维迁移),基于弹性曲杆理论,分析其在承受拉伸、扭转和弯曲等静荷载作用下的力学行为。主要研究内容包括以下三部分:第一部分研究了理想多级螺旋结构纤维绳的力学响应。基于曲杆理论,考虑了泊松效应,用自下而上的分层计算方法与直接计算方法对纤维绳在轴向荷载下的内力进行计算。得到了纤维绳的内力与应力随纤维绳轴向应变、结构参数(如手性、初始螺旋角等)的变化曲线。发现采用分层计算方法计算纤维绳的轴向拉力会更准确,而直接计算方法更适用于计算扭矩的大小。另外,纤维绳的力学性能可以由纤维绳的手性、纤维的初始螺旋角、纤维的数量等准确地控制。第二部分研究了复杂多级螺旋结构纤维绳的摩擦效应。纤维绳中不同的绳股内纤维的摩擦情况也不同。研究过程中依然以曲杆理论为基础,并考虑泊松效应,忽略纤维的接触变形。主要分析了轴向拉伸应变、手性、螺旋纤维缠绕角等对纤维的接触力与摩擦力分布情况的影响。发现手性对纤维的接触力与摩擦力无显著影响。而纤维间的接触力与摩擦力与螺旋纤维在绳股中的排列位置密切相关,其中,芯绳股中螺旋纤维间的接触力与摩擦力随螺旋纤维缠绕角周期性变化的趋势约为正弦曲线,而螺旋绳股中芯纤维与螺旋纤维之间的摩擦力随螺旋纤维缠绕角周期性变化的趋势约为"w"形曲线。第三部分研究了纤维迁移对多级螺旋结构纤维绳力学行为的影响。分析了取不同结构参数时,纤维绳的内力与应力随纤维迁移周期的变化。主要原理是纤维的迁移行为会影响纤维绳的内部结构,进而影响其力学性能。数值结果表明,当考虑纤维迁移时,纤维的内力与应力沿纤维绳的长度存在周期性的非单调变化。在迁移的半周期点上,纤维绳的轴向拉力与扭矩会出现一个跳跃。即在纤维迁移方向改变处,有纤维断裂的危险。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O341
【部分图文】：

纤维绳,螺旋结构,螺旋线,几何结构

2 理想多级螺旋结构纤维绳力学行为分析纤维绳的力学模型从最初的单层单股结构逐步发展成现在复杂的多级螺旋结构而纤维绳的多级螺旋结构也是最贴近实际应用的。纤维绳多级螺旋结构分为很多种，有含独立绳芯的和不含独立绳芯的，也有多纤维层的和单纤维层的。本研究中的纤维绳的力学模型是含独立绳芯的单纤维层多级螺旋结构。2.1 多级螺旋结构纤维绳的几何描述在本研究中，先考虑纤维绳的多层螺旋结构。我们引入参数p 和f 分别表示绳股和纤维的螺旋手性。如果p 1或f 1，则绳股或纤维为右手螺旋；如果p 1 或f 1 ，则为左手螺旋。此外，我们采用参数p f 来描述双层螺旋结构纤维绳的手性。如果螺旋的绳股内纤维的螺旋手性与其不同，则 1 ；反之，则 1。

纤维绳,轴向变形,绳股