基于ANSYS软件的1+6钢丝绳网格划分策略及仿真

摘    要：首先在Creo2.0软件中建立1+6钢丝绳的三维模型，通过软件接口将其导入ANSYS软件。在ANSYS软件中对钢丝绳采用多层分割、网格密度渐变的网格划分策略，对应力集中点及需要提取研究区域的网格进行细化。通过提取钢丝绳中间截面的应力和位移分布云图得到钢丝绳的受力和运动特性，通过提取钢丝绳中心丝和侧丝接触线上各节点在柱坐标下的位移得到中心丝和侧丝的相对运动规律，为进一步研究钢丝绳内部的摩擦磨损提供参考。

关键词：1+6钢丝绳;网格划分策略;应力分布;运动分析;

0 引 言

钢丝绳具有质量轻、承载大、工作平稳等特点，广泛地应用于各种工业场合，运输领域的港口集装箱吊装设备、建筑领域的塔式起重机、机械领域的车间行车、生活中的电梯无不彰显钢丝绳的优势。钢丝绳由于具有复杂的螺旋捻制结构，内部钢丝之间存在非线性接触特征，常规的理论计算无法准确获取钢丝绳内部的力学和运动特性，因此本文主要借助有限元仿真软件ANSYS对其进行研究。ANSYS有限元软件广泛应用于机械领域，不仅能够进行简单的静力学仿真计算，还能够进行非线性的力学仿真求解[1]。本文主要针对1+6钢丝绳进行研究，具体分析钢丝绳有限元建模方法和钢丝绳内部钢丝受力和运动情况。该研究方法对于复杂的异形股、多层股等不同类型的钢丝绳同样适用。

1 1+6钢丝绳有限元模型

1.1 三维模型导入

1+6钢丝绳具有螺旋捻制特征，其侧丝的几何生成曲线含有一次螺旋线[2],如图1所示。ANSYS软件中直接建立螺旋结构体较为麻烦，因此可以借助三维软件Creo2.0进行建模。将Creo2.0软件中建立的钢丝绳的三维模型保存为igs格式，应用ANSYS软件中的/AUX15接口导入到ANSYS软件进行分析。由于1+6钢丝绳具有对称性结构，只需要导入钢丝绳内部中心丝和1根侧丝，通过VGEN体复制命令可以得到完整的1+6钢丝绳。为了方便在ANSYS软件中提取钢丝绳内部钢丝接触线上的位移特征，研究钢丝之间的相对运动，在Creo2.0软件中绘制出钢丝接触线[3],导入ANSYS软件后则会自动生成接触线。本文选用的1+6钢丝绳参数如下：中心丝丝径3.4 mm, 侧丝丝径3.1 mm, 侧丝捻距73 mm, 钢丝绳长100 mm。

图1 1+6钢丝绳三维模型 

1.2 网格划分策略

ANSYS软件中常用的网格划分方法有自由网格划分和映射网格划分。这2种网格划分方法对钢丝绳进行网格划分都不能在钢丝接触位置准确地生成节点。为了节约非线性计算的时间，在不影响研究数据可靠性的前提下更快更准确地得到计算结果，本文采用分层切割且网格密度渐变的网格策略进行网格划分。钢丝绳轴向两端存在约束及边界效应，因此主要对钢丝绳轴向中间段进行研究，中间段需要网格细化。同时钢丝绳内部中心丝和侧丝接触位置存在应力集中，因此中心丝与侧丝的线接触位置需要进行网格细化。

下面具体说明1+6钢丝绳在ANSYS软件中的网格划分策略：

(1) 使用VSBW体切割命令切割钢丝绳，通过移动工作平面将整绳切割得到3段钢丝绳，进而将每段钢丝绳沿轴向采用不同的网格密度进行划分；

(2) 选用MESH200单元对钢丝绳端面进行网格划分，在中心丝和侧丝接触位置生成节点，将端面钢丝接触位置的网格进行细化，提高求解精度，如图2所示；

(3) 使用LESIZE命令控制钢丝绳轴向网格划分密度，通过设定合适的比例尺，中间段沿轴向采用一致较密的网格划分，两侧沿轴向采用两端渐疏的网格划分，如图3所示；

(4) 选用185单元对钢丝绳进行体网格划分，使用VSWEEP体扫掠命令进行钢丝的体扫掠从而生成体网格。

图3 1+6钢丝绳轴向网格模型 

通过上述网格划分策略获得的网格模型不仅在1+6钢丝绳内部中心丝和侧丝接触线上准确生成节点且接触线位置的网格得到细化，钢丝绳轴向中间段的网格也进行了精细划分，因此通过ANSYS软件计算得到的钢丝绳中间段和接触线上的节点数据更加准确。而钢丝绳两端面受边界效应影响较大，选择较为稀疏的网格密度划分，在不影响求解精度的前提下缩短了求解时间。

1.3 接触、约束施加与求解

接触问题的求解首先需要满足接触条件，具体包括法向接触条件和切向接触条件，其中法向接触条件为不可贯入性和法向接触力为压力，切向接触条件本文考虑有摩擦的库伦模型[4]。不可贯入性可以表示为：

式中：tx[Math Processing Error]表示A面上任意指定点P在t时刻的坐标；tx[Math Processing Error]表示t时刻B面上最接近P点的Q点的坐标；tnB表示单位法向向量。

库伦摩擦模型可以表示为：

式中：μ为摩擦系数；|tFAT|和|tFAN|分别为切向和法向接触力的值。

当|tFAT|