双折线式卷筒多层缠绕系统力学分析与试验研究

发布时间：2018-11-17 12:00

【摘要】：随着海洋工程、港口运输、采矿工程以及水工建设等工程领域的快速发展,各种超大扬程、大钢丝绳容绳量的起重设备需求不断增加。实践证明双折线式卷筒多层缠绕系统是解决此类大扬程、大钢丝绳容绳量问题的最有效方法。目前在进行多层缠绕卷筒系统设计时,卷筒的多层缠绕系数是由钢丝绳的缠绕层数确定的。实际上卷筒的多层缠绕系数不仅与钢丝绳的缠绕层数有关,同时与钢丝绳在卷筒上的排列方式以及钢丝绳的弹性特性有着重要的关系。在轻量化设计要求下,准确地分析卷筒的实际应力,是保证卷筒安全、可靠工作的前提。本文通过有限元数值仿真法定量地分析了钢丝绳的弹性特性,运用理论分析和实物试验的方法,研究了双折线式卷筒的多层缠绕系数、卷筒的受力特征以及钢丝绳弹性特性对多层缠绕系数的影响。所做的主要研究工作及创新点如下： 1、运用空间变换方法建立了不同捻向、不同旋向和不同结构钢丝绳各层钢丝空间曲线的普适参量方程,提出了用Matlab与Pro/E软件建立复杂结构钢丝绳空间几何模型的新方法。应用Abaqus软件建立了复杂结构钢丝绳的有限元分析模型,使用显式动力学法对轴向拉伸与横向压缩载荷作用下钢丝绳应力分布和钢丝绳的弹性特性值进行计算分析。 2、以现代板壳理论为基础,将双折线式多层缠绕钢丝绳卷筒筒体视为均匀受压的旋转对称壳体,将端板视为受层状分布线载荷作用的旋转对称圆板,建立双折线式卷筒筒体及端板变形的数学方程,通过分析不同边界条件,确定方程中的积分常数。 3、通过分析多层缠绕时由于外层钢丝绳的缠绕导致内层钢丝绳张力的衰减机理,建立求解各层钢丝绳由于外层钢丝绳缠绕而引起的张力衰减值方程和多层缠绕系数方程。以底层上爬理论为基础,建立多层缠绕钢丝绳各个绳圈对双折线式卷筒端板轴向作用力与各层钢丝绳圈张力之间关系的方程。应用Matlab编制多层缠绕系数和各层钢丝绳张力的求解软件分析多层缠绕系数的影响因素以及多层缠绕工况下各层钢丝绳张力大小。 4、根据双折线式卷筒多层缠绕系统的工作特征,研发了双折线式钢丝绳卷筒多层缠绕系统实际作业工况的模拟综合试验台。对双折线式卷筒进行应力测试,验证了双折线式卷筒多层缠绕系数的理论计算值与测试值的一致。同时理论分析与试验测试结果也表明,目前双折线式卷筒设计中普遍采用的当钢丝绳缠绕层数大于5时,多层缠绕系数统一选取2.5的设计原则需进行修正。本文提出的双折线式卷筒多层缠绕系统的研究方法和取得的研究成果为多层缠绕复杂工况下双折线式卷筒的力学分析和卷筒筒体及端板的科学设计提供了理论支撑和计算分析方法。提出的复杂结构钢丝绳有限元分析方法,为数值模拟分析钢丝绳的损伤机理提供了新的思路。
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【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH21

【参考文献】