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球形弹丸冲击作用下钢丝绳的损伤分析

2020-09-08 218 上传者：管理员

摘要：以1×7标准型钢丝绳为研究对象，采用动力有限元软件分析了球形弹丸对钢丝绳的冲击作用。按照弹丸与钢丝绳的相对位置以及弹丸的冲击速度的不同情况，组合计算了32种工况，结果表明，当弹丸与钢丝绳轴线相对位置一定时，随着弹丸冲击速度的增大，钢丝绳的损伤范围先增大后减小，最后趋于某一水平；当弹丸以同一速度冲击钢丝绳时，弹丸与钢丝绳轴线偏离距离越小，钢丝绳的损伤范围越大。

关键词：
冲击
工程力学
损伤
数值模拟
钢丝绳
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钢丝绳作为牵拉与紧固系统的重要组成部分，在工程建设中有着广泛的应用，其工作中的受力、损伤与断裂失效均备受关注。任志乾等通过分析钢丝绳的结构与材料特点以及主要失效形式，将损伤力学理论引入钢丝绳失效模型，结合材料损伤理论，建立了含损伤的钢丝绳弹塑性损伤本构模型；杜文正等对钢丝绳进行了疲劳分析，获得了在提升重物时钢丝绳的应力分布规律及其疲劳失效；巴发海等通过宏观检验、断口分析、金相检验等方法对某起重机钢丝绳断裂的原因进行了分析；寇保福等对比分析了典型加速提升钢丝绳的冲击拉伸作用效果；类似的文献还有文等。从现有文献可知，研究人员对钢丝绳的动态力学作用效果重点集中在疲劳断裂、冲击拉伸等情况，但对实际工程中钢丝绳受到高速飞散物冲击研究较少，值得深入分析。本文将飞散物简化为与钢丝绳等直径的球形弹丸，采用动力有限元软件ANSYSAUTODYN，针对较为常用的公称直径为15.2mm的1×7标准型钢丝绳在正向冲击荷载下的动态力学响应与损伤特征进行了研究。

1、计算模型

1.1几何模型

工程中常用的1×7标准型钢丝绳由7根φ5高强钢丝捻线而成，其公称直径为15.2mm，捻距0L=111mmmm，冲击弹丸直径15.2mm，钢丝绳模型的几何信息如下图1。

图1钢丝绳几何模型

模型均采用正交结构化网格进行划分，如图2，以保证高速冲击数值计算的精确性，共计划分有限元网格约13万个。

试验过程中，弹丸冲击钢丝绳仅考虑弹丸垂直钢丝绳轴线方向，如图1(b）所示，为了研究弹丸冲击不同部位所产生的效果差异，按照4种不同情况进行研究，见图2，即从俯视图中观察，钢丝绳轴线与弹丸球心的距离h分别设置为0、3.8mm、7.6mm、11.4mm，同时，为了研究不同初始冲击速度对钢丝绳的作用效果，分别设置0V为100m⋅s-1、200m⋅s-1、1300ms-⋅、1400ms-⋅、1500ms-⋅、1800ms-⋅、11200ms-⋅、11500ms-⋅。

图2计算工况示意图

1.2材料模型

钢丝绳在冲击荷载下的响应属于大变形、高应变率范畴，本次数值计算中的弹丸与钢丝绳均采用Johnson-Cook模型，其动态屈服应力表达式如下式（1）。

公式1

式中，σd为动态屈服强度；σ0为起始屈服强度；B为硬化常数；n为硬化指数；C为应变率常数；εp*为归一化有效塑性应变率；0T为室温；mT为材料的熔点温度。

材料的失效应变εf可以表达为如下式（2）。

公式2

式中，1D～5D为材料常数；σeff为等效应力；σh为三向应力状态下的静水压力。

损伤变量则可由式（3）定义：

公式3

式中，∆ε为有效塑型应变增量。

钢丝绳和弹丸均采用同种高强度钢材，其动态力学参数见表1。

表1模型材料参数

2、计算结果与分析

按照钢丝绳轴线与弹丸球心的相对位置以及弹丸的不同冲击速度进行组合分析，共计算了32种工况，计算终止条件按照弹丸速度为零或弹丸碰撞钢丝绳弹离进行设置。具体计算结果见图3。

图3h=3.8mm时冲击钢丝绳损伤区域分布特征

以图3所示，h=3.8mm工况计算结果为例，可以观察到，当弹丸速度为100m⋅s-1、200m⋅s-1、300m⋅s-1时，弹丸冲击钢丝绳后，钢丝绳没有明显的断裂出现，弹丸被弹开，当弹丸速度大于等于400m⋅s-1时，钢丝绳均出现了宏观上的断裂，且随着弹丸冲击速度的增大，弹丸自身的损伤也显著增大，但从钢丝绳的损伤范围来看，钢丝绳的轴向损伤范围并非是一直增大，而是先增大后减小，并逐渐稳定在一个范围。在h=0mm、h=7.6mm、h=11.4mm工况时，也出现了类似的现象，具体计算结果见表2。

若以式（3）损伤变量D=0.7为阈值测量钢丝绳的损伤范围，可得表2的统计结果。

表2损伤范围计算结果

结合表2中的计算数据，以弹丸速度作为横坐标，以钢丝绳的损伤范围作为纵坐标，可以得到不同冲击速度情况下的钢丝绳损伤范围分布曲线，如图4。

图44类不同冲击位置钢丝绳的损伤范围

从计算结果可以观察到，当弹丸以同一速度冲击钢丝绳时，随着弹丸球心与钢丝绳轴线偏离距离逐渐缩小，钢丝绳的损伤范围在逐渐增大；当弹丸与钢丝绳轴线相对位置一定时，随着弹丸冲击速度的增大，钢丝绳的损伤范围出现了先增大再减小，最后，稳定于某一水平的总体趋势，且出现峰值损伤范围时，弹丸冲击速度接近500m⋅s-1。造成这种现象的原因，是由于当弹丸与钢丝绳轴线相对位置较大时，弹丸冲击接触的钢丝数较少，接触力有使弹丸偏向弹出的分量，当冲击速度较低时，弹丸被弹离冲击方向，因此，消耗于钢丝绳断裂损伤的冲击能量相对较小，损伤相对较小，而当弹丸与钢丝绳轴线相对位置较小时，弹丸与钢丝绳趋于正碰撞，冲击能量用于钢丝绳断裂损伤相对较多，因而钢丝绳的损伤相对较大。

3、结语

以显示动力有限元软件ANSYSAUTODYN为工具，对弹丸冲击典型1×7标准型钢丝绳进行了分析，通过计算不同弹丸与钢丝绳轴线相对位置以及不同冲击速度条件下的钢丝绳损伤可知：

(1）当弹丸与钢丝绳轴线相对位置一定时，随着弹丸冲击速度的增大，钢丝绳的损伤范围出现了先增大再减小，最后，稳定于某一水平的总体趋势。

(2）当弹丸以同一速度冲击钢丝绳时，随着弹丸球心与钢丝绳轴线偏离距离逐渐缩小，钢丝绳的损伤范围逐渐增大。

(3）在冲击速度接近500m⋅s-1时，4类不同弹丸球心与钢丝绳轴线偏离距离均出现了钢丝绳损伤范围的最大值。

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